机电一体化系统设计典型实例课件.ppt

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1、第一节车床的机电一体化改造图开环控制系统框图一、数控机床概述1、数控机床简介2、数控机床的组成与研究对象零件图程序载体数控微机系统伺服驱动系统机床本体反馈系统二、车床的机械传动系统简化（一）改造前的结构介绍（二）结构改进与简化1、挂轮架系统2、进给齿轮箱3、溜板齿轮箱4、横向拖板5、刀架体→自动转位刀架（并列举四工位刀架）图自动转位刀架原理示意图6、尾架→电动尾架1—轴套2—原尾架体3—丝杠螺母4—蝶形弹簧5—顶杠6—微型限位开关7—调整螺钉8—电动机9—减速箱10—主动齿轮11—从动齿轮12—丝杠13—顶尖推动丝杠三、车床机电一体化改

2、造的性能及精度选择1、主轴2、进给运动（进给速度、快速进给、脉冲当量）3、刀架（自动转位刀架、工位数、重复定位精度）4、其它性能指标的选择（1）刀具补偿（磨损影响）（2）间隙补偿（间隙消除机构、微机控制）（3）显示（LED、LCD）（4）诊断功能（防止程序有误和机床的误动作）四、进给系统的主要设计计算（一）实例说明：（以数控车床纵向Z设计为例）设某车床，其纵向（z）进给丝杠改用滚珠丝杠，其基本导程l0=6；纵向溜板箱及横向工作台与刀架等可移动部件总质量为400kg（实际设计时应根据图纸进行计算或拆卸称重）；脉冲当量δ取0.01mm/脉冲

3、（该值应根据被加工零件的最高精度的尺寸公差来选定，一般取其公差的1/2）；取工件进给速度为v溜＝60mm/min、快速进给速度取为v溜＝2m/min；步进电机的步距角a预选为0.75（º）/step。（二）设计计算：1、纵向进给丝杠的负载分析（1）切削负载（2）摩擦阻力（3）等效转动惯量（4）丝杠摩擦力矩计算（5）等效负载转矩计算（6）启动惯性转矩计算（7）步进电动机输出轴上总负载转矩的计算2、步进电机的匹配选择3、滚珠丝杠的校核（1）承载能力选择（2）压杆稳定性核算（3）刚度的验算五、单片机控制系统设计（X-Y工作台）（一）工作台组成

4、及控制要求1、步进电机选用四相八拍，其脉冲当量为0.01mm/step；2、能用键盘输入控制命令，控制工作台的X、Y方向上的运动及实现其功能，其运动范围为0～200mm；3、能实现显示工作台的当前运动位置；4、具有超程指示警报及停止功能；5、采用硬件进行环形分配，字符发生及键盘扫描均由软件实现。（二）控制系统硬件组成计数器专用控制程序EPROM用户加工程序外部RAM键盘显示驱动8031单片机I/O计数器光电隔离功放X或Y向步进电机驱动电路三相异步电机刀架移动刀架转动刀架主轴刀架进给脉冲光栅车床微型计算机零位脉冲主轴脉冲编码器图车床闭环控

5、制系统（三）微处理器系统及接口六、数控软件（一）数据输入模块系统输入的数据主要是零件的加工程序（指令），一般通过键盘、光电读带机或盒式磁带等输入，也有从上一级微机直接传入的（如CAD/CAM系统）。系统中所设计的输入管理程序通常采用中断方式。例如，当读带机读入一个数据后，就立即向CPU发出中断，由中断服务程序将该数据读入内存。每按一次键，键盘就向CPU发出一次中断请求，CPU响应中断后就转入键盘服务程序，对应的按键名令进行处理。（二）数据处理模块输入的零件加工程序是用标准的数控语言编写的ASCII字符串，因此需要把输入的数控代码转换成系

6、统能进行运算的二进制代码，还要进行必要的单位换算和数控代码的功能识别，以便确定下一步的操作内容。（三）插补运算模块数控系统必须按照零件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点等，按插补原理进行运算，并向各坐标发出相应的进给脉冲。进给脉冲通过伺服系统驱动刀具或工作台相应的运动，完成程序规定的加工。插补运算模块除实现插补各种运算外，还有实时性要求，在数控过程中，往往是一边插补一边加工的，因此插补运算的时间要尽可能短。（四）速度控制模块一条曲线的进给运动往往需要刀具或工作台在规定的时间内走许多步来完成，因此除输出正确的插补脉冲外，为了保

7、证进给运动的精度和平稳性，还应控制进给的速度，在速度变化较大时，要进行自动加减速控制，以避免速度突变造成伺服系统的驱动失步。（五）输出控制模块输出控制包括：1、伺服控制：将插补运算出的进给脉冲转变为有关坐标的进给运动。2、误差补偿：当进给脉冲改变方向时，根据机床精度进行反向间隙补偿处理。3、M、S、T等辅助功能的输出：在加工中，需要启动机床主轴、调整主轴速度和换刀等，因此，软件需要根据控制代码，从相应的硬件输出口输出控制脉冲或电平信号。（六）管理程序管理程序负责对数据输入、处理、插补运算等操作，对加工过程中的个程序模块进行调度管理。管理

8、程序还要对面板命令、脉冲信号、故障信号等引起的中断进行处理。（七）诊断程序系统应对硬件工作状态和电源状况进行监视，在系统初始化过程中还需对硬件的各个资源，如存储器，I/O等进行检测，使系统出现故障时能够及时