傳統(tǒng)機(jī)械加工設(shè)備的機(jī)電一體化改造分析與設(shè)計(jì)實(shí)用教案

1、1 在機(jī)械加工工業(yè)中， 如果絕大多數(shù)傳統(tǒng)機(jī)床，改用微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化改造，將會(huì)適應(yīng)多品種、小批量、復(fù)雜零件加工的需求，不但提高加工精度和生產(chǎn)率，而且會(huì)降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期，更加適合我國(guó)國(guó)情。利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的機(jī)電一體化改造的方法有兩種，一種是以微機(jī)為中心設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)；另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置，前者需要重新設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，比較復(fù)雜；后者選用(xunyng)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，比較簡(jiǎn)單。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通常采用單扳機(jī)、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及專用控制程序組成的開環(huán)控制，如下圖所示， 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。對(duì)機(jī)床的控制過程大多是由單片機(jī)或單

2、扳機(jī)， 按照輸入的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算 ，由軟件或硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖，經(jīng)功率放大、驅(qū)動(dòng)縱橫軸運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。 第1頁(yè)/共42頁(yè)第一頁(yè)，共43頁(yè)。2第2頁(yè)/共42頁(yè)第二頁(yè)，共43頁(yè)。3 1.車床機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)(xtng)的改造設(shè)計(jì)方案析 右圖a、b為C620-l機(jī)床外形與改造方案，下圖為CA6140機(jī)床改造方案。這些改造方案均比較簡(jiǎn)單，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，仍可使用原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)加工。改裝時(shí)，只要將原機(jī)床進(jìn)給絲杠尾部加裝減速箱和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(如圖中A和B)即可。對(duì)CA6140車床(chchung)（如下圖）的縱向(z向)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，可將對(duì)開開合螺母合上，離合器M5脫開，以使

3、主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)脫開，此時(shí)，將脫開蝸桿等橫向自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)調(diào)整至空擋（脫開）位置。若原刀架換為自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架則可以由微機(jī)控制自動(dòng)轉(zhuǎn)換刀具，否則仍由手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架。第3頁(yè)/共42頁(yè)第三頁(yè)，共43頁(yè)。4 CA6140車床的改造方案 如需加工螺紋，則要在主軸外端(如圖所示)或其他適當(dāng)位置安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器C 檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)位，用它發(fā)出的脈沖來保證主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的相互關(guān)系，因?yàn)樵谲嚶菁y時(shí)，主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車刀要移動(dòng)一個(gè)螺距(單頭螺紋)。為了每次吃刀都不亂扣，也必須取得脈沖發(fā)生器的幫助。 上述改造方案成本較低。但是，為了保證加工精度，還需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)機(jī)床進(jìn)行檢修，以能保證控制精度。原機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件(包括導(dǎo)

4、軌副、絲杠副等)安裝質(zhì)量的好壞，直接影響阻力和阻轉(zhuǎn)矩的大小，應(yīng)盡量減小阻力(轉(zhuǎn)矩)，以提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的有效率。對(duì)絲杠要提高其直線度，導(dǎo)軌壓板及螺母的預(yù)緊力都要調(diào)得合適。為減少導(dǎo)軌副的摩擦阻力可改換成滾動(dòng)導(dǎo)軌副或采用鑲塑料導(dǎo)軌。根據(jù)阻力(轉(zhuǎn)矩)、切削用量的大小及機(jī)床型號(hào)的不同，應(yīng)通過計(jì)算，選用與之相匹配的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。第4頁(yè)/共42頁(yè)第四頁(yè)，共43頁(yè)。5 如果選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜 轉(zhuǎn) 矩 冗余過大，價(jià)格就貴，改造成本就高，對(duì)用戶來說，在使用中，轉(zhuǎn)矩的冗余部分始終用不上 ，是一個(gè)極大的浪費(fèi)；如果選得過小，在使用中很可能會(huì)因各種原因而使切削阻力 突 然增大、驅(qū)動(dòng)能力不夠，引起丟步現(xiàn)象的產(chǎn)生，

5、造成加工誤差。因此，必須采用第六章介紹的方法對(duì)執(zhí)行元件進(jìn)行匹配選擇。對(duì)要求加工精度較高的機(jī)床，其進(jìn)給絲杠應(yīng)改換為滾珠絲杠。 2 銑床機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)改造的方案分析 1） X52K立式銑床傳動(dòng)系統(tǒng)改造方案分析 X52K立式銑床的原傳動(dòng)系統(tǒng)原理 如下圖a a所示。其主軸轉(zhuǎn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)1經(jīng)變速齒輪驅(qū)動(dòng)。其主軸的升降用手柄5經(jīng)錐齒輪副3、絲杠2手動(dòng)操作。工作臺(tái)的X軸(縱軸)和Y軸(橫軸)均通過離合器6和離合器7，由進(jìn)給電動(dòng)機(jī)10通過變速齒輪驅(qū)動(dòng)絲杠副4和8機(jī)動(dòng)進(jìn)給。工作臺(tái)的升降由電動(dòng)機(jī)10通過離合器9將運(yùn)動(dòng)傳給絲杠副11實(shí)現(xiàn)。 為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的自動(dòng)銑削加工，可以將工作臺(tái)升降、工作臺(tái)X與Y軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、或?qū)⒅?/p>

6、軸升降和工作臺(tái)的X、Y軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、或僅將工作臺(tái)的X、Y軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)改為微機(jī)控制實(shí)現(xiàn)三軸或二軸的開環(huán)同步控制或非同步控制。上述方案中的第一種方案，由于工作臺(tái)較重，升降所需步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大，功率損失也大，改造成本高，故一般不采用。而第三種方案僅為二軸控制，不能自動(dòng)銑削三維曲面零件，顯然改造的意義不大。第二種方案實(shí)現(xiàn)較容易、成本也較低，故多被采用。現(xiàn)就第二種方案的改造設(shè)計(jì)思路作說明。第5頁(yè)/共42頁(yè)第五頁(yè)，共43頁(yè)。61、10-電動(dòng)機(jī)；2、4、8、11-.絲杠副；3.錐齒輪副；5-受柄；6、7、9-離合器第6頁(yè)/共42頁(yè)第六頁(yè)，共43頁(yè)。712-絲杠副；13-橢輪；14-偏心(pinxn)套；15-

7、電動(dòng)機(jī)；16、17-步進(jìn)電機(jī)第7頁(yè)/共42頁(yè)第七頁(yè)，共43頁(yè)。8 為保留原機(jī)床的半自動(dòng)功能，應(yīng)對(duì)原系統(tǒng)作盡可能少的改動(dòng)，即一旦控制系統(tǒng)出了問題，機(jī)床還可以手動(dòng)進(jìn)行加工，以免影響生產(chǎn)。為此可進(jìn)行以下改動(dòng)（如上圖b b 所示）：保留原機(jī)床主軸傳動(dòng)系統(tǒng)；保留機(jī)床工作臺(tái)X、Y軸進(jìn)給系統(tǒng)，脫開離合器6、7去掉手輪，將滑動(dòng)絲杠副換為滾珠絲杠副(也可用原有絲杠副)，并改裝減速齒輪箱、減速齒輪、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（16、17）；主軸垂直升降進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：拆去原手動(dòng)錐齒輪副3及絲杠副2，更換成滾珠絲杠副12或采用滑動(dòng)絲杠副并將絲杠上的錐齒輪改為圓柱齒輪，由于安裝電動(dòng)機(jī)受到減速齒輪副中心距尺寸的限制，故可安裝一個(gè)采用偏心軸支

8、承的中間輪(惰輪13)，設(shè)計(jì)并安裝減速箱，將電動(dòng)機(jī)15安裝在減速箱的偏心套14上。 為了調(diào)整齒輪傳動(dòng)間隙；可通過惰輪軸（偏心軸）調(diào)整與絲杠軸上齒輪的嚙合間隙。調(diào)整偏心套14又可調(diào)整電動(dòng)機(jī)輸出軸上的齒輪與中間軸齒輪之間的傳動(dòng)間隙。 2）XA6132型升降工作臺(tái)臥式銑床傳動(dòng)系統(tǒng)改造方案分析 對(duì)于XA6132普通升降工作臺(tái)臥式銑床可采用下圖所示的改造方案。其改造目的主要是加工不同品種的凸輪軸。由于凸輪軸所需加工的輪廓外形含有直線、圓弧和漸開線，要求的輪廓的尺寸公差為0.1mm，表面粗糙度為Ra1.6,因此，采用了三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)方案。第8頁(yè)/共42頁(yè)第八頁(yè)，共43頁(yè)。9第9頁(yè)/共42頁(yè)第九頁(yè)，共43頁(yè)。1

9、0 為使銑床的機(jī)電一體化改造后的性能不低于原銑床，選X、Z坐標(biāo)快進(jìn)速度不低于2.4mmin，水平拖動(dòng)力按15kN計(jì)算，則要求電動(dòng)機(jī)功率 P152.4600.6kW，如選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)達(dá)不到此功率要求。例如，200BF001反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩為14.7N . m，最高空載運(yùn)行頻率為l1000steps，步距角為0.16/step。 若取最高工作頻率下的工作轉(zhuǎn)矩為最大靜轉(zhuǎn)矩的14，則高速運(yùn)行工作狀態(tài)下所需功率為PH1414.7110000.162 360O112.9(W)=0.1129kW，因此，如果選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，必須相應(yīng)地降低快速性要求。又由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低

10、速工作時(shí)有明顯沖擊，易引起自激振蕩，而且其振蕩頻率很可能與銑削加工所用進(jìn)給速度相近或一致，對(duì)加工極為不利。故不宜采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。若采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)的全閉環(huán)控制方案，結(jié)構(gòu)復(fù)雜技術(shù)難度大，成本高。如果采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)控制之間。由于調(diào)速范圍寬；過載能力強(qiáng)，又采用反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制；反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機(jī)械傳動(dòng)元件，調(diào)試比閉環(huán)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較易保證，所以比閉環(huán)容易實(shí)現(xiàn)。 第10頁(yè)/共42頁(yè)第十頁(yè)，共43頁(yè)。11 但是采用半閉環(huán)控制，調(diào)試比開環(huán)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要困難些，設(shè)計(jì)上要有其自身的特點(diǎn)；另外反饋環(huán)節(jié)外的傳動(dòng)零件將會(huì)直接

11、影響機(jī)床精度和加工精度，因此在設(shè)計(jì)中也必須給予足夠重視(zhngsh)。在直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)之間進(jìn)行比較時(shí)，交流調(diào)速逐漸擴(kuò)大了其使用范圍，似乎有取代直流伺服電動(dòng)機(jī)的趨勢(shì)。但交流伺服的控制結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，技術(shù)難度高，而且價(jià)格高；此外，相比于直流伺服的大慣量電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)自身慣量小，調(diào)試時(shí)困難大一些，維修時(shí)元件來源也較困難。直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)技術(shù)較成熟，普及較廣。 通過上述比較分析，確定采用直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)半閉環(huán)控制為宜。x、y、z 軸采用其中二軸作插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)； 第三軸作單獨(dú)的周期進(jìn)刀， 故稱2.5軸聯(lián)動(dòng)加工；其傳動(dòng)方案如下圖a所示。下圖b為結(jié)構(gòu)改裝裝配原理圖。圖b 改裝部分裝配原理圖

12、 圖a XA6132銑床改造方案示意圖1-離合器；2-錐齒輪副；3-滾珠絲杠副；4-減速齒輪；5-直流伺服電動(dòng)機(jī)(2.5kW，1000rmin)；6-(橫向)直流伺服電動(dòng)機(jī)(1.4kw，1500rmin)；7-(縱向)直流伺服電動(dòng)機(jī) (14kW，1500rmin)；8-減速齒輪；9-滾珠絲杠副 第11頁(yè)/共42頁(yè)第十一頁(yè)，共43頁(yè)。12 二、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化二、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化 以車床以車床C620-1為例，如果原機(jī)床為例，如果原機(jī)床(jchung)不再考慮原手動(dòng)傳動(dòng)不再考慮原手動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的使用問題，其機(jī)械系統(tǒng)將得到大大簡(jiǎn)化。圖系統(tǒng)的使用問題，其機(jī)械系統(tǒng)將得到大大簡(jiǎn)化。圖8.2b所示車床改

13、裝時(shí)所示車床改裝時(shí)需要改動(dòng)的部分為：需要改動(dòng)的部分為： 掛輪架系統(tǒng)：掛輪架系統(tǒng)： 全部拆除。進(jìn)給齒輪箱：箱體全部拆除。進(jìn)給齒輪箱：箱體內(nèi)零件全部拆去，原絲杠端加一個(gè)軸承套。溜板齒輪箱：拆去箱體部?jī)?nèi)零件全部拆去，原絲杠端加一個(gè)軸承套。溜板齒輪箱：拆去箱體部分光杠、操作桿、增加滾珠絲杠支承架和螺母座。橫向拖板：安裝步分光杠、操作桿、增加滾珠絲杠支承架和螺母座。橫向拖板：安裝步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，并通過減速齒輪、聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī)軸與橫向滾珠絲杠連接起進(jìn)電動(dòng)機(jī)，并通過減速齒輪、聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī)軸與橫向滾珠絲杠連接起來。改造后，主傳動(dòng)系統(tǒng)與進(jìn)給系統(tǒng)互相獨(dú)立。刀架體：采用自動(dòng)轉(zhuǎn)來。改造后，主傳動(dòng)系統(tǒng)與進(jìn)給系統(tǒng)互相獨(dú)立。

14、刀架體：采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架或根據(jù)需要加裝縱、橫向微調(diào)裝置，供調(diào)整刀具用。位刀架或根據(jù)需要加裝縱、橫向微調(diào)裝置，供調(diào)整刀具用。 改造后，車床的主運(yùn)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)主軸電動(dòng)機(jī)改造后，車床的主運(yùn)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)主軸電動(dòng)機(jī)V型帶傳動(dòng)型帶傳動(dòng)主軸變速主軸變速齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)主軸主軸;進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)減速齒輪傳動(dòng)減速齒輪傳動(dòng)絲杠傳動(dòng)絲杠傳動(dòng)溜板溜板刀架。改造后的車床傳動(dòng)系統(tǒng)如圖刀架。改造后的車床傳動(dòng)系統(tǒng)如圖C620-1C車床的改造方案車床的改造方案b所所示。示。第12頁(yè)/共42頁(yè)第十二頁(yè)，共43頁(yè)。13 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架具有重復(fù)定位精度高、剛性好、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。按其工作原理可分為螺旋升降轉(zhuǎn)位刀架、槽輪轉(zhuǎn)

15、位刀架、棘 輪棘爪轉(zhuǎn)位刀架及電磁轉(zhuǎn)位刀架等。下圖a為螺旋升降轉(zhuǎn)位刀架原 理 圖，電動(dòng)機(jī)l經(jīng)彈簧安全離合器2、蝸輪蝸桿副3帶動(dòng)螺母6旋轉(zhuǎn)，并將刀架5推起使端齒盤7的上、下盤分離(fnl)，隨即帶動(dòng)刀架 旋 轉(zhuǎn) 到 位，然后，由內(nèi)裝信號(hào)盤4發(fā)出到位信號(hào)，讓電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)鎖緊。圖b為槽輪轉(zhuǎn)位刀架原理圖。它是利用十字槽輪原理進(jìn)行轉(zhuǎn)位和鎖緊定位的。銷釘盤2每轉(zhuǎn)一周，帶動(dòng)槽輪轉(zhuǎn)過一個(gè)槽，使其刀架4轉(zhuǎn)過360/K(K為刀架工位數(shù))。 轉(zhuǎn)位刀架原理圖 第13頁(yè)/共42頁(yè)第十三頁(yè)，共43頁(yè)。14 右 圖 為 四 工 位 自 動(dòng) 轉(zhuǎn) 位刀架結(jié)構(gòu)原理圖。這種刀架適用于多種車床。其轉(zhuǎn)位、定位鎖緊過程如下：轉(zhuǎn)換刀位時(shí)，微機(jī)

16、發(fā)出信號(hào)，電動(dòng)機(jī)1旋轉(zhuǎn)，經(jīng)蝸輪蝸桿副3、鍵2使螺桿4轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使刀架體5與其相聯(lián)的雙頭螺母6軸向上移動(dòng)，使端齒盤11的上、下齒盤脫開，與螺桿4一起旋轉(zhuǎn)的撥套9撥動(dòng)撥塊10，從而強(qiáng)制帶 動(dòng) 刀 架 體 轉(zhuǎn) 位 ， 實(shí) 現(xiàn) 9 0 、180、360轉(zhuǎn)位、換刀。換刀到位(do wi)時(shí)，行程擋塊觸發(fā)微動(dòng)開關(guān)8，使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺桿4反轉(zhuǎn)，螺母6帶刀架體5軸向下移，至使上、下端齒盤重新嚙合、定位，達(dá)到預(yù)定鎖緊力后，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，完成換刀過程。四工位自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架結(jié)構(gòu)原理第14頁(yè)/共42頁(yè)第十四頁(yè)，共43頁(yè)。15 三、三、 機(jī)床機(jī)電一體化改造機(jī)床機(jī)電一體化改造(gizo)(gizo)的性的性能及精度選擇能

17、及精度選擇 機(jī)床的性能指標(biāo)應(yīng)在改造前根據(jù)實(shí)際需要作出選擇(xunz)。以車床為例，其能加工工件的最大回轉(zhuǎn)直徑及最大長(zhǎng)度、主軸電動(dòng)機(jī)功率等一般都不改變。加工工件的平面度、直線度、圓柱度及粗糙度等基本上仍取決于機(jī)床本身原來的水平。但有一些性能和精度的選擇(xunz)是要在改裝前確定，主要包括： 1）主軸 主軸變速方法、級(jí)數(shù)、轉(zhuǎn)速范圍、功率以及是否需要數(shù)控制動(dòng)停車等。 2) 進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 進(jìn)給速度：Z向(通常為8400mmmin)；X向(通常為2100mm/min)； 快速移動(dòng)：Z向(通常為1.24m/min); X向(通常為1.25m/min); 脈沖當(dāng)量：在0.0050.01mm)內(nèi)選取，通常Z向?yàn)?/p>

18、X向的2倍。 加工螺距范圍：包括能加工何種螺紋(公制、英制、模數(shù)、徑節(jié)和錐螺紋等)，一般螺距在10mm以內(nèi)。通常進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都改裝成滾珠絲杠副傳動(dòng)。 3）刀架 是否需要配置自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，若配置自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架時(shí)需要確定工位數(shù)，通常有4、6、8個(gè)工位；刀架的重復(fù)定位精度通常為5角秒以內(nèi)。第15頁(yè)/共42頁(yè)第十五頁(yè)，共43頁(yè)。16 4) 其他性能指標(biāo)的選擇 刀具補(bǔ)償：指刀具磨損后要使刀具微量調(diào)整的運(yùn)動(dòng)量。 間隙補(bǔ)償：在傳動(dòng)鏈中，影響運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)的齒輪或其他構(gòu)件造成的間隙，常用消除間隙機(jī)構(gòu)來消除，也可以用控制微機(jī)發(fā)脈沖來補(bǔ)償?shù)?，從而提高加工精度?顯示： 采用單板機(jī)時(shí)其顯示用數(shù)碼管顯示的位數(shù)較少，如不能滿足

19、要求，必要時(shí)可以采用顯示熒光屏，這樣可以清楚地把許多條控制機(jī)床工作的數(shù)控程序都完整地顯示出來。甚至可以把加工過程工件及刀具的運(yùn)動(dòng)圖形顯示出來。 診斷功能：為防止操作者輸入的程序有錯(cuò)和隨之出現(xiàn)(chxin)誤動(dòng)作，指示出機(jī)床某部分有故障或某項(xiàng)功能失靈，都可在改裝時(shí)加入必要的器件和軟件，使數(shù)控機(jī)床具有某些診斷功能。 以上是車床改裝時(shí)考慮的一些共性問題，有時(shí)改裝者根據(jù)需要還提出一些專門要求。例如，有的要求能車削大螺距的螺紋；有的要求控制機(jī)與電氣箱能防灰塵，在惡劣環(huán)境下工作；有的要求車刀能高精度且方便地對(duì)刀等。 第16頁(yè)/共42頁(yè)第十六頁(yè)，共43頁(yè)。17四、機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)電有機(jī)結(jié)合四、機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)電

20、有機(jī)結(jié)合 匹配選擇匹配選擇(xunz)(xunz)計(jì)算計(jì)算第17頁(yè)/共42頁(yè)第十七頁(yè)，共43頁(yè)。18刀具角度及切削力方向 第18頁(yè)/共42頁(yè)第十八頁(yè)，共43頁(yè)。19第19頁(yè)/共42頁(yè)第十九頁(yè)，共43頁(yè)。20第20頁(yè)/共42頁(yè)第二十頁(yè)，共43頁(yè)。21第21頁(yè)/共42頁(yè)第二十一頁(yè)，共43頁(yè)。22第22頁(yè)/共42頁(yè)第二十二頁(yè)，共43頁(yè)。23第23頁(yè)/共42頁(yè)第二十三頁(yè)，共43頁(yè)。24第24頁(yè)/共42頁(yè)第二十四頁(yè)，共43頁(yè)。25第二節(jié)第二節(jié) 微機(jī)微機(jī)(wi j)(wi j)控制控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 從機(jī)床的開環(huán)控制系統(tǒng)框圖可看出，系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能(或部分功能)及特點(diǎn)：控制機(jī)床刀具、工作臺(tái)縱、

21、橫向和主軸z向的速度和位移；可控制加工端面、內(nèi)外(niwi)圓以及由任意錐面、球面、逼近的任意曲面；控制走刀速度，一般分0、1、2、9、A、BF等16擋，并可隨時(shí)進(jìn)行換擋；加工程序中可給出一定的延時(shí)，在加工中執(zhí)行延時(shí)程序時(shí)，車床刀架在預(yù)定時(shí)間內(nèi)停止運(yùn)動(dòng)；具有程序暫停功能，當(dāng)執(zhí)行到暫停程序時(shí)，刀架停止運(yùn)動(dòng)，再按下啟動(dòng)鍵，可繼續(xù)執(zhí)行程序；微機(jī)I/O端口可發(fā)出和接受各種信號(hào)，作為限位、刀架(車床)回轉(zhuǎn)、電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)等的控制及反饋信號(hào)。它與程序的自動(dòng)循環(huán)功能相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)加工的全自動(dòng)化；程序固化在EPROM中，使用時(shí)只要將所需程序調(diào)至內(nèi)存即可，并可較方便地修改加工程序；具有點(diǎn)動(dòng)和單步控制功能，以便調(diào)

22、試、校對(duì)原點(diǎn)及修正加工尺寸；具有一定的自診斷功能，以便調(diào)試、校對(duì)原點(diǎn)及修正加工尺寸；具有一定的自診斷功能。第25頁(yè)/共42頁(yè)第二十五頁(yè)，共43頁(yè)。26 利用標(biāo)準(zhǔn)的單板機(jī)(如TP801A)作為控制器，控制車床的縱、橫軸及自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架時(shí)，首先應(yīng)熟悉單板機(jī)提供的資源，包括硬件資源和軟件資源。硬件資源主要是指單板機(jī)的硬件配置及提供給用戶擴(kuò)展用的硬件特性；軟件資源主要指單板機(jī)的監(jiān)控程序，特別是供調(diào)用的基本子程序。對(duì)用戶關(guān)系較大的資源、特點(diǎn)分析與選用如下： 1. 主要技術(shù)特性和硬件配置 （1) 中央處理機(jī)為Z80CPU，晶振頻率為3.9936MHz，不分頻時(shí)其系統(tǒng)時(shí)鐘為4MHz。 （2) 存儲(chǔ)器共有七個(gè)2

23、4腳插座，可以插5片2k8位的6116RAM和2片2k8位的2716EPROM或者插上7片全是2716EPROM或4k8位的2732EPROM。作為車床改造的控制系統(tǒng)選用3片2k8位的2716EPRON和二片2k8位的6116RAM就足夠了。2716的讀周期是450ns，6116的讀寫周期小于200ns，CPU的時(shí)鐘周期是250ns，所以在搭配上符合要求。監(jiān)控程序固化在一片2716EPROM內(nèi)，各功能模塊程序存放在另一片2716EPROM內(nèi)，剩下的一片EPROM芯片用于存放常用零件的加工程序。這樣安排的好處是更換零件加工程序時(shí)，只需更換一塊芯片即可。2片6116RAM作為調(diào)試程序存放和運(yùn)行程序

24、的中間數(shù)據(jù)存放用。第26頁(yè)/共42頁(yè)第二十六頁(yè)，共43頁(yè)。27 （3) I/O口，Z80PIO并行接口芯片(xn pin)，有二個(gè)8位可編程I/O口，全供用戶使用。這里將A口做為X、Z軸進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)脈沖的輸出口，其中 PA0PA2為X向的輸出口，PA3PA5 為Z向輸出口。B口為位控方式，其中PB0PB3為+x、-x、+z、-z的行程越位信號(hào)輸入，PB5為急停信號(hào)輸入，PB6、PB7為系統(tǒng)工作正常、報(bào)警信號(hào)輸出。 （4) 計(jì)數(shù)器定時(shí)器。它有Z80-CTC計(jì)數(shù)器定時(shí)器芯片(xn pin)一片。它的4個(gè)通道中0#和3#通道在應(yīng)用程序中使用，其余由監(jiān)控程序使用。 （5) 顯示器由6位LED構(gòu)成。 （

25、6) 具有31個(gè)鍵的鍵盤，包括16個(gè)數(shù)字鍵、14個(gè)命令鍵及一個(gè)復(fù)位鍵。足夠控制使用。另外還有S-100總線插孔一組。 2. 存儲(chǔ)器空間分配 第27頁(yè)/共42頁(yè)第二十七頁(yè)，共43頁(yè)。28 3. I/O地址分配 4. 單板機(jī)部分相關(guān)電氣工作原理設(shè)計(jì) 第28頁(yè)/共42頁(yè)第二十八頁(yè)，共43頁(yè)。29第29頁(yè)/共42頁(yè)第二十九頁(yè)，共43頁(yè)。30 5. 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 下圖為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理之一。為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在驅(qū)動(dòng)電路(功率放大)與I/O口之間用光電隔離器連接。圖中，由于(yuy)x、z軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的U、V、W相控制信號(hào)輸入端均接入一驅(qū)動(dòng)器(跟隨器)以提高驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)I/O口輸出為高電平時(shí)，

26、經(jīng)驅(qū)動(dòng)器后仍為高電平，此時(shí)發(fā)光二極管不發(fā)光，使光電隔離器中的光敏三極管截止，則VT1、VT2均截止，VT3、VT4基加壓導(dǎo)通，相繞組通電。反之，相繞組不通電。 驅(qū)動(dòng)電路原理第30頁(yè)/共42頁(yè)第三十頁(yè)，共43頁(yè)。31 6. 其他輔助電路 為了防止機(jī)床行程越界，所以在機(jī)床上裝有行程控制開關(guān)。為了防止意外，裝有急停按鈕。因?yàn)檫@些開關(guān)都安裝在機(jī)床上，距控制箱較遠(yuǎn)，容易產(chǎn)生電氣干擾。為了避免這種情況發(fā)生，在電路和接口之間實(shí)行光電隔離。 為了報(bào)警，還設(shè)有報(bào)警電路。當(dāng)綠色的發(fā)光二極管亮?xí)r表示工作正常。當(dāng)紅色發(fā)光二極管亮?xí)r，表示溜板箱已到極限位置。 7. 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 為了讓車床自動(dòng)加工零件，必須先將人的

27、意圖，用機(jī) 器 所能接受的語言，編制加工程序，程序格式不同，其設(shè)計(jì)方法也不同。下面以某廠生產(chǎn)的微機(jī)數(shù)控裝置為例，對(duì)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)做一簡(jiǎn)要(jinyo)說明。 （1) 加工程序的總格式。該系統(tǒng)在進(jìn)行某段工序加工時(shí)，需將加工量以十進(jìn)制的mm數(shù)送入，然后送入加工速度字、方向字等。因此，在車床進(jìn)行加工之前，必須根據(jù)零件圖紙給出每道工序的刀具運(yùn)動(dòng)方向和位移長(zhǎng)度。根據(jù)零件材料和車床的特性以及工藝要求，給出車床的切削速度。該加工程序以四個(gè)字節(jié)至八個(gè)字節(jié)為一段程序，先以一段為開頭，中間為加工程序段，最后為結(jié)尾，參看教材圖8.12。 （2) 主程序。根據(jù)上面規(guī)定的加工格式，畫出控制系統(tǒng)的主程序流程 圖，參看

28、教材圖。第31頁(yè)/共42頁(yè)第三十一頁(yè)，共43頁(yè)。32 二、單片機(jī)控制系統(tǒng)二、單片機(jī)控制系統(tǒng)(kn zh x (kn zh x tn)tn)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)( (以工作臺(tái)為例以工作臺(tái)為例) ) X-Y工作臺(tái)的工作原理比較簡(jiǎn)單，X、Y 向均采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)并通過齒輪減速器和絲杠傳動(dòng)副帶動(dòng)工作臺(tái)沿 X和 Y向運(yùn)動(dòng),與車床X軸、Z軸和銑床的X軸、Y軸與Z軸的傳動(dòng)原理相同。 如對(duì)工作臺(tái)的控制要求先作如下規(guī)定：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用四相八拍，其脈沖當(dāng)量為0.01mm/step；能用鍵盤輸入命令，控制工作臺(tái)的X向、Y向運(yùn)動(dòng)及實(shí)現(xiàn)其他功能，其運(yùn)動(dòng)范圍均為0200mm；能實(shí)時(shí)顯示工作臺(tái)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)位置； 具有越程指示報(bào)警及停止功能

29、；采用硬件進(jìn)行環(huán)形分配，字符發(fā)生及鍵盤掃描均由軟件實(shí)現(xiàn)。 單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成: 現(xiàn)選用803l單片機(jī)芯片作為主芯片。它有P0、P1、P2、P3 四個(gè)8位口，P0口可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門電路，16根地址總線由它經(jīng)地址鎖存器(74LS373)提供低8位A0 A7,而高8位A8A15由P2口直接提供。數(shù)據(jù)總線由P0口直接提供。控制總線由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立的控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。僅剩P1口可供控制外設(shè)。因此，不能滿足上述控制要求，又由于8031芯片無ROM，且只有128字節(jié)的RAM也是不夠用的,故也需要進(jìn)行擴(kuò)展?，F(xiàn)采用8155 和 2764、6264芯片作為I/

30、O口和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。顯示器采用LED數(shù)碼顯示， 從控制要求來看， 需要5位數(shù)碼顯示， 其中整數(shù)部分3位，小數(shù)部分2位。其他輔助電路有復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、越位報(bào)警指示電路。延時(shí)可利用(lyng)8155的定時(shí)器計(jì)數(shù)器的引腳TMRIN和TMROUT。 綜上所述繪制單片機(jī)(8031)控制系統(tǒng)工作原理圖如下圖所示。第32頁(yè)/共42頁(yè)第三十二頁(yè)，共43頁(yè)。33 單片機(jī)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)工作原理第33頁(yè)/共42頁(yè)第三十三頁(yè)，共43頁(yè)。34 圖中， 單片機(jī)時(shí)鐘利用內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，晶振可以在1.212MHz間任選，電容在530pF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用

31、。越位超程(cho chn)報(bào)警、指示電路，采用4個(gè)限位開關(guān)，一旦越位，應(yīng)立即停止工作臺(tái)移動(dòng)。這里采用中斷方式，利用8031的外部中斷，只要有一個(gè)開關(guān)閉合，即工作臺(tái)的X向或Y向有一項(xiàng)越位，便能產(chǎn)生中斷信號(hào) 。為了報(bào)警,設(shè)置了兩個(gè)發(fā)光二極管燈，一個(gè)紅燈用于越位報(bào)警，另一個(gè)為綠燈，工作正常時(shí)亮，兩燈均由803l的P1.6控制。為了整體控制需要，應(yīng)將8155的輸出端TMROUT與803l的T0端相連，且還應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制用環(huán)形分配器的CP端相接。 第34頁(yè)/共42頁(yè)第三十四頁(yè)，共43頁(yè)。35 三、 XA6132型銑床的多CPU直流伺服 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 根據(jù)第一節(jié)XA6132普通升降工作臺(tái)臥式銑床所選

32、定的直流伺服驅(qū)動(dòng)與加工要求，所配數(shù)控裝置應(yīng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)(半閉環(huán))控制；提供模擬量控制信號(hào)，接收(jishu)半閉環(huán)的反饋信號(hào)；要能控制三個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，其中至少需同時(shí)控制兩軸聯(lián)動(dòng)完成圓弧插補(bǔ)；為了在加工中可使用不同尺寸的刀具，數(shù)控裝置應(yīng)具有刀具的半徑和長(zhǎng)度的補(bǔ)償功能，以便數(shù)控加工中按輪廓編制程序而能適應(yīng)刀具尺寸的變化。為了適應(yīng)將來發(fā)展的需要，數(shù)控裝置應(yīng)具備通信接口。因此確定選用MTC-1M銑床數(shù)控裝置。MTC-lM是三坐標(biāo)2.5軸聯(lián)動(dòng)的銑床用多CPU數(shù)控裝置。該裝置除了有一般數(shù)控功能之外，還具有子程序和參數(shù)編程，特別是鏡像功能，很適合具有對(duì)稱輪廓工件的數(shù)控加工編程。此外，它還具有示教、錄返和用RS

33、232C通信的功能。該數(shù)控裝置還可以控制主軸轉(zhuǎn)速，但由于主軸所需調(diào)速范圍小，調(diào)速機(jī)會(huì)也不多，而且主軸電動(dòng)機(jī)功率較大，如采用調(diào)速裝置將會(huì)增加不少投資，所以改造中未采用數(shù)控裝置調(diào)速，而仍保留原機(jī)床上的手動(dòng)機(jī)械換擋方式對(duì)主軸實(shí)行變速。第35頁(yè)/共42頁(yè)第三十五頁(yè)，共43頁(yè)。36 由于采用現(xiàn)成的MTC-1M數(shù)控裝置，在選配時(shí)要考慮功能需求，與伺服單元的配接，其他的輸入輸出控制信號(hào)及控制能力。在配接時(shí)要考慮接口的數(shù)量及參數(shù)，必要時(shí)要設(shè)計(jì)信號(hào)變換電路，在設(shè)計(jì)參考點(diǎn)信號(hào)的電路時(shí)，采用了光電隔離；另外為了在接近開關(guān)及其電源、引線等發(fā)生故障時(shí)，能有一定的保護(hù)，設(shè)計(jì)了邏輯檢測(cè)電路。此邏輯檢測(cè)電路的作用是當(dāng)發(fā)生元件

34、損壞、斷線或短路時(shí)發(fā)出信號(hào)，起到緊急停機(jī)的作用。為了能用一般的8位微處理器芯片完成插補(bǔ)運(yùn)算，而且還要監(jiān)控鍵盤，對(duì)顯示(xinsh)屏幕的不斷刷新等，系統(tǒng)采用了多CPU結(jié)構(gòu)。多CPU結(jié)構(gòu)是數(shù)控系統(tǒng)為了適應(yīng)功能強(qiáng)、速度快、分辨力高而發(fā)展起來的很有生命力的結(jié)構(gòu)型式。 下圖數(shù)控裝置采用三個(gè)CPU，分別是中央CPU，顯示和鍵盤(jinpn)管理CPU以及插補(bǔ)和輸入/輸出CPU。中央CPU起主要控制作用，負(fù)責(zé)數(shù)控程序的編輯、數(shù)控程序段的譯碼預(yù)處理、刀具半徑補(bǔ)償?shù)挠?jì)算、機(jī)器和刀具參數(shù)編輯與診斷處理，按鍵信號(hào)監(jiān)控處理等，并且要協(xié)調(diào)另兩個(gè)CPU的同步工作。 顯示CPU主要功能是按照中央CPU送來的顯示命令和顯示

35、內(nèi)容，組成相應(yīng)的顯示頁(yè)面，負(fù)責(zé)產(chǎn)生CRT顯示器所需要的視頻掃描信號(hào)，控制顯示器按規(guī)定的顯示方式顯示有關(guān)信息。此外，掃描鍵盤(jinpn)，將接受的鍵盤(jinpn)和開關(guān)信號(hào)經(jīng)譯碼后送給中央CPU進(jìn)行相應(yīng)處理。插補(bǔ)CPU主要進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，發(fā)生伺服驅(qū)動(dòng)所需的控制信號(hào)，接收測(cè)量元件的反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)速度和位置的控制。此外，對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行控制，并完成RS232C通信功能。 第36頁(yè)/共42頁(yè)第三十六頁(yè)，共43頁(yè)。37數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 第37頁(yè)/共42頁(yè)第三十七頁(yè)，共43頁(yè)。38 插補(bǔ)CPU接收中央CPU送來的程序段信息和其他命令，并返回插補(bǔ)完成情況及出錯(cuò)信號(hào)。為了完成信息交換，中央CPU與顯示CP

36、U之間，中央CPU與插補(bǔ)CPU之間分別設(shè)置了公用存儲(chǔ)區(qū)。以中央CPU與插補(bǔ)CPU之間數(shù)據(jù)交換為例，為了避免兩個(gè)CPU同時(shí)存取公用存儲(chǔ)區(qū)而發(fā)生沖突，需要采取措施。為了簡(jiǎn)化線路和控制，該設(shè)計(jì)方案采取借用Z80CPU所具備的總線請(qǐng)求和響應(yīng)的功能，以中央CPU為主控，當(dāng)中央CPU需要時(shí)，通過I/O口，由芯片8255的輸出向插補(bǔ)CPU的總線請(qǐng)求發(fā)出信號(hào)。插補(bǔ)CPU返回響應(yīng)信號(hào)后，也經(jīng)由8255，從輸入口傳給中央CPU。中央CPU接到響應(yīng)信號(hào)后打開74LS244和74LS245總線驅(qū)動(dòng)器的門，使中央CPU的地址信號(hào)送達(dá)插補(bǔ)CPU的存儲(chǔ)區(qū)，數(shù)據(jù)得以傳送。 在地址分配上，為了減少芯片數(shù)，插補(bǔ)CPU所用的ROM采用2片EPROM2764，用74LSl38完成片選，由三根地址線譯碼后，每個(gè)輸出Y端控制8k存儲(chǔ)區(qū)。2片2764占低地址區(qū)。但RAM只需2k(包括公用存儲(chǔ)區(qū))，設(shè)計(jì)中把公用存儲(chǔ)區(qū)放在最高地址區(qū)，為了精確地選址，又加了74L