機電一體化系統(tǒng)分析

1、機電一體化系統(tǒng)分析 數(shù)控機床班級： 學號：姓名：鑒于這個學期正在上數(shù)控機床這門課程，所以選擇數(shù)控機床的機電一體化系統(tǒng)來進行分析。數(shù)字控制技術(shù)是從金屬切削機床數(shù)控的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。自1952年由美國帕森斯公司與麻省理工學院機構(gòu)實驗室研制成功世界上第一臺三坐標數(shù)控銑床以來，數(shù)控機床經(jīng)歷了硬件數(shù)控（NC）、計算機數(shù)控（CNC）、多機臺計算機直接群控（DNC）和微機數(shù)控（MNC）五個發(fā)展階段，形成了門類齊全、品種繁多的數(shù)控機床，如數(shù)控車床、銑床、鉆床、磨床和加工中心等。一 數(shù)控機床的原理數(shù)控機床加工零件時，是將被加工零件的工藝過程、工藝參數(shù)等用數(shù)控語言編制成加工程序，這些程序是數(shù)控機床的工作指令。將

2、加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變速、起停，進給運動的方向、速度和位移量，以及其它輔助裝置嚴格地按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進行工作，從而加工出符合要求的零件。為了提高加工精度，一般還裝有位置檢測反饋回路，這樣就構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，其加工過程原理如下圖所示。數(shù)控機床工作過程原理圖二 數(shù)控機床的組成 從工作原理可以看出，數(shù)控機床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服檢測系統(tǒng)和機床本體等四部分組成，其組成框圖如下圖所示。 控制介質(zhì)。用于記載各種加工信息（如零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)和位移數(shù)據(jù)等），以控制機床的運動，實現(xiàn)零件的機械加工。常用的控制介質(zhì)有磁帶、磁盤和光盤等?？刂平橘|(zhì)

3、上記載的加工信息經(jīng)輸入裝置輸送給數(shù)控裝置。常用的輸入裝置有磁盤驅(qū)動器和光盤驅(qū)動器等，對于用微處理機控制的數(shù)控機床，也用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工程序直接用鍵盤輸入，并在CRT顯示器顯示。  數(shù)控裝置。數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心，它的功能是接受輸入裝置輸送給的加工信息，經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件或電路進行譯碼、運算和邏輯處理后，發(fā)出相應(yīng)的脈沖指令送給伺服系統(tǒng)，通過伺服系統(tǒng)控制機床的各個運動部件按規(guī)定要求動作。 伺服系統(tǒng)及位置檢測裝置。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電機和伺服驅(qū)動裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。由機床的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數(shù)控機床的進給系統(tǒng)，它根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)來的速度和位移指令控制

4、執(zhí)行部件的進給速度、方向和位移量。每個進給運動的執(zhí)行部件都配有一套伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)之分，在閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，還需配有位置測量裝置，直接或間接測量執(zhí)行部件的實際位移量。 機床本體及機械部件。數(shù)控機床的本體及機械部件包括：主動運動部件、進給運動執(zhí)行部件（如工作臺、刀架）、傳動部件和床身立柱等支承部件，此外還有冷卻，潤滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置，對于加工中心類的數(shù)控機床，還有存放刀具的刀庫，交換刀具的機械手等部件。三 簡易數(shù)控車床控制系統(tǒng)1）機械結(jié)構(gòu)下圖表示一種普通車床改造后的方案。圖中不改變車床主軸箱，即主軸變速仍靠人工控制，走刀絲杠改成滾珠絲杠11，去掉光杠，在走刀段右

5、端增加一個絲杠支承。絲杠11的右端用縱向步進電動機4直接驅(qū)動（或經(jīng)傳動齒輪減速驅(qū)動）?？v向走刀絲杠采用滾珠絲杠的目的是為了提高縱向走刀的移動精度，對于半精加工的車床可直接使用原來的絲杠。同樣，橫向走刀絲杠由步進電動機3直接驅(qū)動，完成橫向走刀的進給和變速。另外，刀架部分采用了電動刀架實現(xiàn)自動換刀。為了使車床能實現(xiàn)自動車制螺紋，還要在主軸尾部加接一光電編碼器（圖中未示出），作為主軸位置檢測，使車刀運動與主軸位置相配合。改造后的車床傳動系統(tǒng)1電動機 2聯(lián)軸器 3橫向步進電機 4縱向步進電機 5聯(lián)軸器 6縱向微調(diào)機構(gòu) 7橫向微調(diào)機構(gòu) 

6、;8橫向螺母 9縱向螺母 10橫向微調(diào)機構(gòu) 11縱向滾珠絲杠 1、步進電動機與絲杠聯(lián)接 步進電動機與絲杠的聯(lián)接要可靠，傳動無間隙。為了便于編程和保證加工精度，一般要求縱向運動的步進當量為0.01mm，橫向運動的步進當量為0.005mm，步進電動機與絲杠的聯(lián)接方式有直連式（同軸連接）和齒輪聯(lián)接兩種形式。如下圖所示。直連式示意圖1車床支架 2銷釘 3聯(lián)軸套 4步進電動機齒輪連接示意圖2、步進電動機與床身的聯(lián)接步進電動機與床身的聯(lián)接，不但要求安裝方便、可靠，同時又能確保精度。常用的有固定板聯(lián)接和變速箱聯(lián)接兩種，如下圖所示。固定板聯(lián)接示意圖 1床身 2齒輪箱 3

7、變速齒輪 4絲杠支架 變速箱聯(lián)接示意圖1床身 2圓柱套筒 3聯(lián)接板 4步近電動機 5齒輪 6絲杠托架 7絲杠3、自動回轉(zhuǎn)刀架 加工復雜工件時，需要幾把車刀輪換使用，這就要求刀架能自動換位如下圖所示。自動刀架原理示意圖 當微機系統(tǒng)發(fā)出換刀信號后，如果要求的刀號與實際在位的刀號不符，電動機正轉(zhuǎn)，通過螺桿推動螺母使刀臺上升到精密端齒盤脫開時的位置，當?shù)峨S螺桿體轉(zhuǎn)動至與刀號要求相符的位置時，微機發(fā)出反轉(zhuǎn)信號，使電動機反轉(zhuǎn)，于是刀臺被定位卡死而不能轉(zhuǎn)動，便緩慢下降至精密端齒盤的嚙合位置，實現(xiàn)精密定位并鎖緊。當夾緊力增大到推動彈簧而竄動壓縮觸點時，電動機立即停轉(zhuǎn)，并向微機發(fā)出換刀完成的應(yīng)答信號，程序繼續(xù)執(zhí)

8、行。4、電動機尾架 有的數(shù)控車床為實現(xiàn)軸類零件的自動化加工，采用了電動尾架裝置，下圖所示是一種適用于經(jīng)濟型數(shù)控車床的可控力電動尾架。電動尾座1刀位觸點 2膠木板 3觸點 4刀臺 5螺桿副 6精密齒盤 7變速齒輪 8蝸輪9滑套式蝸桿 10停車開關(guān) 11刀架座 12壓簧 13粗定位電動機通電轉(zhuǎn)動，通過一對齒輪副減速，帶動絲杠轉(zhuǎn)動，再通過裝在軸套上的絲杠螺母使軸套前進，并稍稍壓縮蝶形彈簧。當頂尖推動絲杠轉(zhuǎn)動，迫使頂尖緊頂工件時，絲杠以及螺母不能前進，這樣就迫使絲杠后退，壓縮蝶形彈簧并使從動齒輪后退。從動齒輪后退時壓下頂桿，頂桿又壓下微動開關(guān)，切斷電機的電源，至此頂緊操作完成。頂尖后退時，利用一微型限

9、位開關(guān)進行限位控制。電動機控制電路除要有正反轉(zhuǎn)點動控制外，還需有接向微機的開關(guān)。2）控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計數(shù)控機床微機系統(tǒng)有兩種基本形式，即經(jīng)濟型和全功能型。所謂經(jīng)濟型系統(tǒng)是用一個微機芯片作主控單元，伺服系統(tǒng)大都為功率步進電動機，采用開環(huán)控制系統(tǒng)，步進當量為0.010.005mm/脈沖，機床快速移動速度為58m/min，傳動精度較低，功能也較為簡單。全功能型的系統(tǒng)用24個微機芯片進行控制，各CPU之間采用標準總線接口，或者采用中斷方式通訊。在主控微機的管理下，各微機分別進行指令識別、插補運算、文本及圖形顯示、控制信號的輸入輸出等。伺服系統(tǒng)一般采用交流或直流電機伺服驅(qū)動的閉環(huán)或半閉環(huán)控制，這種形式可

10、方便地控制進給速度和主軸轉(zhuǎn)速。機床最快移動速度為824m/min，步進當量為0.010.001mm/脈沖，控制的軸數(shù)多達2024個，因而廣泛用于精密數(shù)控車床、銑床、加工中心等精度要求高、加工工序復雜的場合。下圖為一種經(jīng)濟數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖，適用于普通車床的數(shù)控。3）控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計為了使車床自動加工零件，必須先將人的意圖用機器所能接受的語言編制成加工程序，程序格式不同，其設(shè)計方法也不同。數(shù)控機床的軟件分為系統(tǒng)軟件（控制軟件）和應(yīng)用軟件（加工軟件）兩部分。加工軟件是描述被加工零件的幾何形狀、加工順序、工藝參數(shù)的程序，它用國際標準的數(shù)控編程語言編程，有關(guān)數(shù)控編程的規(guī)范和編程方法，可參閱有關(guān)的標準

11、手冊及文獻資料。 控制軟件是為完成機床數(shù)控而編制的系統(tǒng)軟件，因為各數(shù)控系統(tǒng)的功能設(shè)置、控制方案、硬件線路均不相同，因此在軟件結(jié)構(gòu)和規(guī)模上相差很大，但從數(shù)控的要求上看，控制軟件應(yīng)包括輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理、插補運算、速度控制、自診斷和管理程序等模塊。 1、數(shù)據(jù)輸入模塊   系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)主要是零件的加工程序（指令），一般通過鍵盤、光電讀帶機或盒式磁帶等輸入，也有從上一級微機直接傳入的（如CAD/CAM系統(tǒng)）。系統(tǒng)中所設(shè)計的輸入管理程序通常采用中斷方式。例如，當讀帶機讀入一個數(shù)據(jù)后，就立即向CPU發(fā)出中斷，由中斷服務(wù)程序?qū)⒃摂?shù)據(jù)讀入內(nèi)存。每按一次鍵，鍵盤就

12、向CPU發(fā)出一次中斷請求，CPU響應(yīng)中斷后就轉(zhuǎn)入鍵盤服務(wù)程序，對相應(yīng)的按鍵命令進行處理。 2、數(shù)據(jù)處理模塊   輸入的零件加工程序是用標準的數(shù)控語言編寫的ASCII字符串，因此，需要把輸入的數(shù)控代碼轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)能進行運算操作的二進制代碼，還要進行必要的單位換算和數(shù)控代碼的功能識別，以便確定下一步的操作內(nèi)容。 3、插補運算模塊   數(shù)控系統(tǒng)必須按照零件加工程序中提供的數(shù)據(jù)，如曲線的種類、起點、終點等，插補原理進行運算，并向各坐標軸發(fā)出相應(yīng)的進給脈沖。進給脈沖通過伺服系統(tǒng)驅(qū)動刀具或工作臺作相應(yīng)的運動，完成程序規(guī)定的加工。

13、插補運算模塊除實現(xiàn)插補各種運算外，還有實時性要求，在數(shù)控過程中，往往是一邊插補一邊加工的，因此插補運算的時間要盡可能的短。 4、速度控制模塊   一條曲線的進給運動往往需要刀具或工作臺在規(guī)定的時間內(nèi)走許多步來完成，因此除輸出正確的插補脈沖外，為了保證進給運動的精度及平衡性，還應(yīng)控制進給的速度，在速度變化較大時，要進行自動加減速控制，以避免因速度突變而造成伺服系統(tǒng)的驅(qū)動失步。 5、輸出控制模塊    輸出控制包括： （1）伺服控制：將插補運算出的進給脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)橛嘘P(guān)坐標的進給運動。 （2）誤差補償：當進給脈沖改變方向時，根據(jù)機床的精度進行反向間隙補償處理。 （3）M、S、T等輔助功能的輸出：在加工中，需要啟動機床主軸、調(diào)整主軸速度和換刀等。因此，軟件需要根據(jù)控制代碼，從相應(yīng)的硬件輸出控制脈沖或電平信號。