第八章 传统机械加工设备的机电一体化改 造分析与设计

返回目录回看结束放映1第八章传统机械加工设备的机电一体化改造分析与设计第一节传统机械加工机床机电一体化改造分析第二节微机控制系统的设计分析习题与思考题返回目录回看结束放映2第一节机床的机电一体化改造分析在机械加工工业中，如果绝大多数传统机床，改用微机控制，实现机电一体化改造，将会适应多品种、小批量、复杂零件加工的需求，不但提高加工精度和生产率，而且会降低生产成本、缩短生产周期，更加适合我国国情。利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种，一种是以微机为中心设计控制系统；另一种是采用标准的步进电动机数字控制系统作为主要控制装置，前者需要重新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内标准化的微机数控系统，比较简单。这种标准的微机数控系统通常采用单扳机、单片机、驱动电源、步进电动机及专用控制程序组成的开环控制，如下图所示，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机或单扳机，按照输入的加工程序进行插补运算，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲，经功率放大、驱动纵横轴运动的步进电动机来实现的。返回目录回看结束放映3返回目录回看结束放映41.车床机械传动系统的改造设计方案析右图a、b为C620-l机床外形与改造方案，下图为CA6140机床改造方案。这些改造方案均比较简单，当数控系统出现故障时，仍可使用原驱动系统进行手动加工。改装时，只要将原机床进给丝杠尾部加装减速箱和步进电动机(如图中A和B)即可。对CA6140车床（如下图）的纵向(z向)进给运动，可将对开开合螺母合上，离合器M5脱开，以使主运动与进给运动脱开，此时，将脱开蜗杆等横向自动进给机构调整至空挡（脱开）位置。若原刀架换为自动转位刀架则可以由微机控制自动转换刀具，否则仍由手动转动刀架。一、机械传动系统的改造设计方案分析返回目录回看结束放映5CA6140车床的改造方案如需加工螺纹，则要在主轴外端(如图所示)或其他适当位置安装一个脉冲发生器C检测主轴转位，用它发出的脉冲来保证主轴旋转运动与纵向进给运动的相互关系，因为在车螺纹时，主轴转一转，车刀要移动一个螺距(单头螺纹)。为了每次吃刀都不乱扣，也必须取得脉冲发生器的帮助。上述改造方案成本较低。但是，为了保证加工精度，还需根据实际情况对机床进行检修，以能保证控制精度。原机床运动部件(包括导轨副、丝杠副等)安装质量的好坏，直接影响阻力和阻转矩的大小，应尽量减小阻力(转矩)，以提高步进电动机驱动转矩的有效率。对丝杠要提高其直线度，导轨压板及螺母的预紧力都要调得合适。为减少导轨副的摩擦阻力可改换成滚动导轨副或采用镶塑料导轨。根据阻力(转矩)、切削用量的大小及机床型号的不同，应通过计算，选用与之相匹配的步进电动机。返回目录回看结束放映6如果选用步进电动机的最大静转矩冗余过大，价格就贵，改造成本就高，对用户来说，在使用中，转矩的冗余部分始终用不上，是一个极大的浪费；如果选得过小，在使用中很可能会因各种原因而使切削阻力突然增大、驱动能力不够，引起丢步现象的产生，造成加工误差。因此，必须采用第六章介绍的方法对执行元件进行匹配选择。对要求加工精度较高的机床，其进给丝杠应改换为滚珠丝杠。2．铣床机械传动系统改造的方案分析1）X52K立式铣床传动系统改造方案分析X52K立式铣床的原传动系统原理如下图a所示。其主轴转动由电动机1经变速齿轮驱动。其主轴的升降用手柄5经锥齿轮副3、丝杠2手动操作。工作台的X轴(纵轴)和Y轴(横轴)均通过离合器6和离合器7，由进给电动机10通过变速齿轮驱动丝杠副4和8机动进给。工作台的升降由电动机10通过离合器9将运动传给丝杠副11实现。为实现复杂零件的自动铣削加工，可以将工作台升降、工作台X与Y轴的进给运动、或将主轴升降和工作台的X、Y轴的进给运动、或仅将工作台的X、Y轴进给运动改为微机控制实现三轴或二轴的开环同步控制或非同步控制。上述方案中的第一种方案，由于工作台较重，升降所需步进电动机转矩大，功率损失也大，改造成本高，故一般不采用。而第三种方案仅为二轴控制，不能自动铣削三维曲面零件，显然改造的意义不大。第二种方案实现较容易、成本也较低，故多被采用。现就第二种方案的改造设计思路作说明。返回目录回看结束放映71、10-电动机；2、4、8、11-.丝杠副；3.锥齿轮副；5-受柄；6、7、9-离合器返回目录回看结束放映812-丝杠副；13-椭轮；14-偏心套；15-电动机；16、17-步进电机返回目录回看结束放映9为保留原机床的半自动功能，应对原系统作尽可能少的改动，即一旦控制系统出了问题，机床还可以手动进行加工，以免影响生产。为此可进行以下改动（如上图b所示）：①保留原机床主轴传动系统；②保留机床工作台X、Y轴进给系统，脱开离合器6、7去掉手轮，将滑动丝杠副换为滚珠丝杠副(也可用原有丝杠副)，并改装减速齿轮箱、减速齿轮、步进电动机（16、17）；③主轴垂直升降进给运动：拆去原手动锥齿轮副3及丝杠副2，更换成滚珠丝杠副12或采用滑动丝杠副并将丝杠上的锥齿轮改为圆柱齿轮，由于安装电动机受到减速齿轮副中心距尺寸的限制，故可安装一个采用偏心轴支承的中间轮(惰轮13)，设计并安装减速箱，将电动机15安装在减速箱的偏心套14上。为了调整齿轮传动间隙；可通过惰轮轴（偏心轴）调整与丝杠轴上齿轮的啮合间隙。调整偏心套14又可调整电动机输出轴上的齿轮与中间轴齿轮之间的传动间隙。2）XA6132型升降工作台卧式铣床传动系统改造方案分析对于XA6132普通升降工作台卧式铣床可采用下图所示的改造方案。其改造目的主要是加工不同品种的凸轮轴。由于凸轮轴所需加工的轮廓外形含有直线、圆弧和渐开线，要求的轮廓的尺寸公差为0.1mm，表面粗糙度为Ra1.6,因此，采用了三坐标联动方案。返回目录回看结束放映10返回目录回看结束放映11为使铣床的机电一体化改造后的性能不低于原铣床，选X、Z坐标快进速度不低于2.4m／min，水平拖动力按15kN计算，则要求电动机功率P＝15×2.4／60＝0.6kW，如选用步进电动机作为执行元件，则步进电动机达不到此功率要求。例如，200BF001反应式步进电动机，其最大静转矩为14.7N.m，最高空载运行频率为l1000step／s，步距角为0.16°/step。若取最高工作频率下的工作转矩为最大静转矩的1／4，则高速运行工作状态下所需功率为PH＝1／4×14.7×11000×0.16×2／360O≈112.9(W)=0.1129kW，因此，如果选用步进电动机，必须相应地降低快速性要求。又由于步进电动机在低速工作时有明显冲击，易引起自激振荡，而且其振荡频率很可能与铣削加工所用进给速度相近或一致，对加工极为不利。故不宜采用步进电动机驱动。若采用直流或交流伺服电动机的全闭环控制方案，结构复杂技术难度大，成本高。如果采用直流或交流伺服电动机的半闭环控制，其性能介于开环和闭环控制之间。由于调速范围宽；过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于步进电动机开环控制；反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统的稳定性较易保证，所以比闭环容易实现。返回目录回看结束放映12但是采用半闭环控制，调试比开环控制步进电动机要困难些，设计上要有其自身的特点；另外反馈环节外的传动零件将会直接影响机床精度和加工精度，因此在设计中也必须给予足够重视。在直流和交流伺服电动机之间进行比较时，交流调速逐渐扩大了其使用范围，似乎有取代直流伺服电动机的趋势。但交流伺服的控制结构较复杂，技术难度高，而且价格高；此外，相比于直流伺服的大惯量电动机，交流伺服电动机自身惯量小，调试时困难大一些，维修时元件来源也较困难。直流伺服电动机的控制系统技术较成熟，普及较广。通过上述比较分析，确定采用直流伺服电动机驱动半闭环控制为宜。x、y、z轴采用其中二轴作插补联动；第三轴作单独的周期进刀，故称2.5轴联动加工；其传动方案如下图a所示。下图b为结构改装装配原理图。图b改装部分装配原理图图aXA6132铣床改造方案示意图1-离合器；2-锥齿轮副；3-滚珠丝杠副；4-减速齿轮；5-直流伺服电动机(2.5kW，1000r／min)；6-(横向)直流伺服电动机(1.4kw，1500r／min)；7-(纵向)直流伺服电动机(1．4kW，1500r／min)；8-减速齿轮；9-滚珠丝杠副返回目录回看结束放映13二、机械传动系统的简化以车床C620-1为例，如果原机床不再考虑原手动传动系统的使用问题，其机械系统将得到大大简化。图8.2b所示车床改装时需要改动的部分为：①挂轮架系统：全部拆除。②进给齿轮箱：箱体内零件全部拆去，原丝杠端加一个轴承套。③溜板齿轮箱：拆去箱体部分光杠、操作杆、增加滚珠丝杠支承架和螺母座。④横向拖板：安装步进电动机，并通过减速齿轮、联轴器将电动机轴与横向滚珠丝杠连接起来。改造后，主传动系统与进给系统互相独立。⑤刀架体：采用自动转位刀架或根据需要加装纵、横向微调装置，供调整刀具用。改造后，车床的主运动：驱动主轴电动机→V型带传动→主轴变速齿轮传动→主轴;进给运动：步进电动机→减速齿轮传动→丝杠传动→溜板→刀架。改造后的车床传动系统如图C620-1C车床的改造方案b所示。返回目录回看结束放映14自动转位刀架具有重复定位精度高、刚性好、寿命长等特点。按其工作原理可分为螺旋升降转位刀架、槽轮转位刀架、棘轮棘爪转位刀架及电磁转位刀架等。下图a为螺旋升降转位刀架原理图，电动机l经弹簧安全离合器2、蜗轮蜗杆副3带动螺母6旋转，并将刀架5推起使端齿盘7的上、下盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后，由内装信号盘4发出到位信号，让电动机反转锁紧。图b为槽轮转位刀架原理图。它是利用十字槽轮原理进行转位和锁紧定位的。销钉盘2每转一周，带动槽轮转过一个槽，使其刀架4转过360°/K(K为刀架工位数)。转位刀架原理图返回目录回看结束放映15右图为四工位自动转位刀架结构原理图。这种刀架适用于多种车床。其转位、定位锁紧过程如下：转换刀位时，微机发出信号，电动机1旋转，经蜗轮蜗杆副3、键2使螺杆4转动，迫使刀架体5与其相联的双头螺母6轴向上移动，使端齿盘11的上、下齿盘脱开，与螺杆4一起旋转的拨套9拨动拨块10，从而强制带动刀架体转位，实现90°、180°、360°转位、换刀。换刀到位时，行程挡块触发微动开关8，使电动机反转带动螺杆4反转，螺母6带刀架体5轴向下移，至使上、下端齿盘重新啮合、定位，达到预定锁紧力后，电动机停止转动，完成换刀过程。四工位自动转位刀架结构原理返回目录回看结束放映16三、机床机电一体化改造的性能及精度选择机床的性能指标应在改造前根据实际需要作出选择。以车床为例，其能加工工件的最大回转直径及最大长度、主轴电动机功率等一般都不改变。加工工件的平面度、直线度、圆柱度及粗糙度等基本上仍取决于机床本身原来的水平。但有一些性能和精度的选择是要在改装前确定，主要包括：1）主轴主轴变速方法、级数、转速范围、功率以及是否需要数控制动停车等。2)进给运动进给速度：Z向(通常为8~400mm／min)；X向(通常为2~100mm/min)；快速移动：Z向(通常为1.2~4m/min);X向(通常为1.2~5m/min);脉冲当量：在0.005~0.01mm)内选取，通常Z向为X向的2倍。加工螺距范围：包括能加工何种螺纹(公制、英制、模数、径节和锥螺纹等)，一般螺距在10mm以内。通常进给运动都改装成滚珠丝杠副传动。3）刀架是否需要配置自动转位刀架，若配置自动转位刀架时需要确定工位数，通常有4、6、8个工位；刀架的重复定位精度通常为5角秒以内。返回目录回看结束放映174)其他性能指标的选择刀具补偿：指刀具磨损后要使刀具微量调整的运动量。间隙补偿：在传动链中，影响运动部件移动的齿轮或其他构件造成的间隙，常用消除间隙机构来消除，也可以用控制微机发脉冲来补偿掉，从而提高加工精度。显示：采用单板机时其显示用数码管显示的位数较少，如不能满足要求，必要时可以采用显示荧光屏，这样可以清楚地把许多条控制机床工作的数控程序都完整地显示出来。甚至可以把加工过程工件及刀具的运动图形显示出来。诊断功能：