難中易數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)例

難中易數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)例第1頁/共41頁8.1KAM裝配機(jī)器人本節(jié)介紹日本九州工業(yè)大學(xué)研制的裝配機(jī)器人KAM的機(jī)械結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用。雖然它的某些結(jié)構(gòu)和功能與現(xiàn)代先進(jìn)數(shù)控機(jī)械相比，稍顯落后，但它的功能結(jié)構(gòu)和控制原理具有數(shù)控代表性，值得學(xué)習(xí)和參考。第2頁/共41頁8.1KAM裝配機(jī)器人8.1.1裝配機(jī)器人KAM的機(jī)械結(jié)構(gòu)2932第3頁/共41頁8.1KAM裝配機(jī)器人1－z方向?qū)к壣w；2－z方向?qū)к墮n環(huán)；3－z方向?qū)к墦醢澹?－r方向電機(jī)安裝臺(tái)；5－減速裝置齒輪；6－r方向直聯(lián)齒輪；7－r方向?qū)к墸?－r方向進(jìn)給滾珠絲杠；9－z方向進(jìn)給支柱；10－z方向?qū)к墸?1－傳動(dòng)箱；12－軸承蓋；13－擋塊；14－z方向進(jìn)給絲杠支座；15－導(dǎo)軌支座；16－蝸輪；17－軸承壓擋；18－支座的齒輪座；19－裝配底板；20－支座軸；21－z軸進(jìn)給支座裝配圓板；22－隔離環(huán)；23－軸承壓環(huán)；24－z方向進(jìn)給齒輪；25－z方向直聯(lián)齒輪；26－z軸進(jìn)給上支板；27－z軸進(jìn)給下支板；28－爪部；29－支座；30－軸承蓋；31－軸承支架；32－蝸輪；33－中間齒輪；34－θ方向直聯(lián)齒輪；35－θ方向電機(jī)安裝臺(tái)。8.1.1裝配機(jī)器人KAM的機(jī)械結(jié)構(gòu)第4頁/共41頁8.1KAM裝配機(jī)器人8.1.2裝配機(jī)器人KAM的控制系統(tǒng)

1.系統(tǒng)概況圖8－2KAM的控制系統(tǒng)框圖打印機(jī)顯示器I/O接口8255步進(jìn)電機(jī)控制器KAMNECPC-8001磁帶機(jī)第5頁/共41頁8.1KAM裝配機(jī)器人8.1.2裝配機(jī)器人KAM的控制系統(tǒng)

1.系統(tǒng)概況開環(huán)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)：在z、r、θ三個(gè)方向各有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，而每個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別配備一個(gè)控制器。

控制計(jì)算機(jī)：NECPC－8001型微機(jī)，將直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入NECPC8001后，轉(zhuǎn)換成每個(gè)方向的脈沖數(shù)，并通過I/O接口送出脈沖給步進(jìn)電機(jī)控制器，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使KAM動(dòng)作。C語言程序：坐標(biāo)的輸入、坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換、脈沖數(shù)及其頻率的計(jì)算等。匯編語言程序：要求高速處理的三軸同時(shí)控制和加速控制等。數(shù)據(jù)保存：盒式磁帶收錄機(jī)；I/O接口：用于NECPC－8001與步進(jìn)電機(jī)控制器的通訊。第6頁/共41頁8.1KAM裝配機(jī)器人8.1.2裝配機(jī)器人KAM的控制系統(tǒng)

2.I/O接口

控制系統(tǒng)中采用了兩個(gè)8255芯片，地址總線A0和A1與8255直接相連。

8255是可編程I/O口擴(kuò)展芯片。內(nèi)部有三個(gè)端口，每個(gè)端口有8位。工作模式由程序設(shè)定，可根據(jù)程序指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入/輸出、狀態(tài)信號(hào)的輸入和控制信號(hào)的輸出等操作。8255-N0.1的電路圖。第7頁/共41頁8.1KAM裝配機(jī)器人8.1.2裝配機(jī)器人KAM的控制系統(tǒng)

3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制器SL—回轉(zhuǎn)特性ST—啟動(dòng)特性注：負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.22Kg.cm2

電源電壓AC100V1-2SL表8-1步進(jìn)電機(jī)的規(guī)格外徑58.4mm全長82.5mm重量1.1kg轉(zhuǎn)子慣量240g.cm2最大靜力矩61N.m步矩角1.8°/步第8頁/共41頁8.1KAM裝配機(jī)器人8.1.2裝配機(jī)器人KAM的控制系統(tǒng)

3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制器

驅(qū)動(dòng)控制：采用專用芯片PMM8713進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。該器件采用DIP16封裝，適用于二相或四相步進(jìn)電機(jī)。兩種脈沖輸入法：雙脈沖輸入法單脈沖輸入法雙脈沖輸入法單脈沖輸入法第9頁/共41頁8.1KAM裝配機(jī)器人8.1.2裝配機(jī)器人KAM的控制系統(tǒng)

3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制器

圖8-6PMM8713引腳圖PMM871312345678161514131211109輸入脈沖UP時(shí)鐘輸入脈沖DOWN時(shí)鐘輸入脈沖時(shí)鐘回轉(zhuǎn)方向切換0—DOWN，1—UPEA勵(lì)磁方式切換EB3、4相切換地CUCDCKU/DΦCUssUDDCOEMRΦ1Φ2Φ3Φ4+4V~+18V輸入脈沖監(jiān)控勵(lì)磁監(jiān)控輸出輸出輸出輸出復(fù)位3相4相第10頁/共41頁8.1.2裝配機(jī)器人KAM的控制系統(tǒng)

3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制器

8.1KAM裝配機(jī)器人

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路

PMM8713在控制二相或四相步進(jìn)電機(jī)時(shí)都可選擇三種勵(lì)磁方式（1相勵(lì)磁、2相勵(lì)磁、1～2相勵(lì)磁），每相最小的拉電流和灌電流為20mA。在KAM中，對(duì)步進(jìn)電機(jī)采用1～2相勵(lì)磁方式，每個(gè)脈沖的回轉(zhuǎn)角為0.9。，電機(jī)1轉(zhuǎn)共需400個(gè)脈沖。第11頁/共41頁8.1KAM裝配機(jī)器人8.1.2裝配機(jī)器人KAM的控制系統(tǒng)

4.KAM的控制程序開始設(shè)定尺寸控制字USR函數(shù)模式顯示輸入模式0—ADJDATAEDITSAVELOADRUN選擇方式第12頁/共41頁8.1KAM裝配機(jī)器人8.1.2裝配機(jī)器人KAM的控制系統(tǒng)

4.KAM的控制程序

圖8-9RUN方式的流程設(shè)置絕對(duì)坐標(biāo)AX＝0，AY＝0，AZ＝0CalculatePulseSTARTRETURN開始0－RETURNTEST00－RETURNRETURN方式選擇開始絕對(duì)坐標(biāo)的計(jì)算FORI=1TOD坐標(biāo)變換脈沖數(shù)、脈沖數(shù)之和回轉(zhuǎn)方向、脈沖周期RETURN8-10CALCULATEPULSE子程序流程圖I=D？NoYes第13頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例本節(jié)將以一臺(tái)中檔的三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床為例，來講述數(shù)控銑床的基本設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)介紹常用裝置和系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)要求。第14頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外形圖第15頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1．?dāng)?shù)控銑床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1）主傳動(dòng)系統(tǒng)變速方式

數(shù)控銑床的主傳動(dòng)逐步被交流變頻無級(jí)調(diào)速主軸電機(jī)代替。使數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)速，解決了直流電機(jī)長期運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生整流火花和電刷磨損的難題。數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)要求有較大的調(diào)速范圍，以保證加工時(shí)能選用合理的切屑用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。數(shù)控機(jī)床通常在交流電機(jī)無級(jí)變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速。

主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有三種配置方式（1）串聯(lián)分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的主傳動(dòng)系統(tǒng)（2）通過皮帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)（3）調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)第16頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1．?dāng)?shù)控銑床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2）串聯(lián)分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分級(jí)變速機(jī)構(gòu)級(jí)數(shù)Z主要取決于主軸要求的恒功率變速范圍、電機(jī)的恒功率變速范圍和分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的變速范圍，同時(shí)還和機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度和主軸是否允許有功率缺口有關(guān)，常用的級(jí)數(shù)Z＝2、3、4。第17頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1．?dāng)?shù)控銑床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2）串聯(lián)分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第18頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1．?dāng)?shù)控銑床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2）串聯(lián)分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)例（見教材）結(jié)論：（a）帶有分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的變速范圍取決于交流調(diào)速電機(jī)恒功率調(diào)速范圍和級(jí)數(shù)Z。當(dāng)電機(jī)確定后，要使主軸轉(zhuǎn)速連續(xù)的條件是級(jí)數(shù)比，否則，主軸轉(zhuǎn)速不連續(xù)，產(chǎn)生功率缺口。（b）分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的級(jí)數(shù)Z的選擇應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的具體要求確定。通常Z＝3時(shí)，若＝3時(shí)，分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的恒功率區(qū)變速范圍可擴(kuò)大到9左右，主軸轉(zhuǎn)速連續(xù)。（c）選擇電機(jī)功率時(shí)，在滿足機(jī)床要求的前提下，若無特殊要求，就不必選擇較大功率的電機(jī)，以免造成浪費(fèi)。第19頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2．?dāng)?shù)控銑床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)控銑床對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的要求集中在精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)三個(gè)方面。1）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服電機(jī)一般最高轉(zhuǎn)速為1500r/min或2000r/min。如果伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠直接連接。即i＝1第20頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2．?dāng)?shù)控銑床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第21頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2．?dāng)?shù)控銑床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第22頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2．?dāng)?shù)控銑床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（兩種方案的傳動(dòng)系統(tǒng)圖）第23頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2．?dāng)?shù)控銑床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2）滾珠絲杠的選擇第24頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2．?dāng)?shù)控銑床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2）滾珠絲杠的選擇第25頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2．?dāng)?shù)控銑床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2）滾珠絲杠的選擇第26頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2．?dāng)?shù)控銑床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2）滾珠絲杠的選擇第27頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2．?dāng)?shù)控銑床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3）.滾珠絲杠的支承選擇第28頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2．?dāng)?shù)控銑床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4）伺服電機(jī)的選擇第29頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2．?dāng)?shù)控銑床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4）伺服電機(jī)的選擇第30頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.2數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控銑床的核心。在國內(nèi)外有很多規(guī)格不同、性能指標(biāo)各異的數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控銑床可根據(jù)功能和性能要求，配置不同的數(shù)控系統(tǒng)。在國內(nèi)，廣泛使用的一些國外知名品牌的數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高，得到了國內(nèi)眾多企業(yè)的普遍認(rèn)可。國內(nèi)數(shù)控的代表產(chǎn)品之一華中數(shù)控，采用了以工業(yè)PC機(jī)為硬件平臺(tái)，DOS、Windows及其豐富的支持軟件為軟件平臺(tái)的技術(shù)路線，其主控系統(tǒng)具有質(zhì)量好、性能價(jià)格比高、便于二次開發(fā)和集成等許多優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)例數(shù)控銑床采用了華中HNC－21M數(shù)控裝置第31頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.2數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)數(shù)控裝置HNC－21M采用開放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工業(yè)PC機(jī)，高性能32位中央處理器，配置彩色液晶顯示屏和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床面板，進(jìn)給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內(nèi)嵌式PLC接口、遠(yuǎn)程I/O板接口集成于一體；最大聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為4軸，可選配各種類型的脈沖式、模擬式交流伺服驅(qū)動(dòng)器。將本實(shí)例的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，增加一個(gè)回轉(zhuǎn)的A坐標(biāo)，即增加一個(gè)數(shù)控分度頭或數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，用以滿足某些特殊要求，這時(shí)銑床應(yīng)相應(yīng)地配制成四坐標(biāo)控制系統(tǒng)。X、Y、Z為直線坐標(biāo)軸，A為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸；主軸控制采用變頻器同機(jī)械變速機(jī)構(gòu)配合，液壓換檔，分高速、低速兩檔。第32頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.2數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.數(shù)控系統(tǒng)總體框圖第33頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.2數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.電源部分第34頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.2數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.繼電器部分第35頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.2數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.輸入／輸出開關(guān)量第36頁/共41頁8.2典型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.2數(shù)控