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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 7 章,常用机械加工设备的,机电一体化改造分析与设计,7.1,机床的机电一体化改造分析,7.2,微机控制系统设计分析,利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种：,1、以微机为中心控制设计控制部件；,2、采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置,。,微,机,CPU,存,储,器,扩,展,I/O,口,扩,展,驱,动,器,光,电,隔,离,功,率,放,大,电,路,电,机,电,机,（车刀）,回转刀架,继 电 器,刀架控制电路,电 机,刀架,急停,STOP,清零等,功能按钮,主轴脉冲发生器,纵横等轴限位,7-1 车床的机电一体化改造分析,一、机械传动系统的改造设计方案,改装方案：,在原机床进给丝杠尾部加装减速箱和步进电机；,原机床的纵向进给运动中，将开合螺母合上，离合器M,5,脱开，使主运动与进给运动分离；,Fy-垂直走刀方向的切削分力,Fy-垂直走刀方向的切削分力,Fz-垂直方向的切削分力（N）,电机的启动力矩与最大静态转矩之间具有下列关系：,Fx-进给方向的切削分力（N）,车床一般采取用经验公式计算主切削力,在M起、M切两种力矩中取其大者作为选择步进电机的依据。,为保证控制精度，应尽量减小阻力，以提高步进电机驱动力矩的有效率；,Mf-摩擦力矩,取00.,1）确定电机的启动负载,（3）齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算,第 7 章,如需加工螺纹，则在主轴外端或其它适当位置安装一个脉冲发生器；,为保证控制精度，应尽量减小阻力，以提高步进电机驱动力矩的有效率；,根据 力矩、切削用量的大小及机床型号的不同，选用与之相匹配的步进电机,对加工精度较高的车床，其进给丝杠应改换为滚珠丝杠。,二、车床机电一体化改造的性能及精度选择,改造前必须确定：,1）主轴变速方法、级数、转速范围以及是否需要数控制动停车等；,2）进给运动,包括：进给速度、快速移动速度、脉冲当量、加工螺距范围等；,通常进给运动都改装成滚珠丝杠传动,3）刀架,4）其它性能指标的选择,包括：刀具补偿、间隙补偿、显示、诊断功能等,三、进给系统的主要设计计算,例如：某车床，其纵向进给丝杠改用滚珠丝杠，其基本导程L,0,=6mm，纵向溜板箱及横向工作台与刀架等移动部件的总质量为400kg，脉冲当量,取0.01mm/step，工件进给速度v=60mm/min，快速进给速度取为v,s,=2m/min，导轨为综合性导轨，一级齿轮减速。,步进电机的负载有切削力、摩擦负载和惯性负载，所选步进电机必须克服这些负载才能作正常的进给驱动。,1、纵向进给运动的负载分析,（1）切削负载,1）按按切削用量计算切削力,2）用经验公式计算主切削力,D,max,-车床床身上加工最大直径（,mm,）,按比例分别求出分力F,x,和F,y,：,F,Z,-主切削力,F,x,-走刀方向的切削分力（N）,F,y,-垂直走刀方向的切削分力,车床一般采取用经验公式计算主切削力,3）按主电机功率计算,式中：,精密机床：,中型机床：,大型机床：,式中：,F,z,-主切削力（,N,）,d,-工件直径（,m,），可采用在床鞍上加工的最 大直径按比例分别求出分力F,x,和F,y,式中：,M,n,-主轴传递的扭矩（,N.m,）,n-,-主轴计算转矩（,r/min,），是主轴传递全部功率时的最低转速,2、切削进给力F,m,根据导轨的不同，切削力的计算也各有不同,对于综合性导轨,其中：,F,x,-进给方向的切削分力（N）,F,z,-垂直方向的切削分力（N）,G,-运动部件的总重量（N）,f,-导轨摩擦系数（0.150.18）,3、滚珠丝杠副的选择,1）根据摩擦阻力初步选择丝杠型号,进给力,选择基本导程L,0,=4、6、8的滚珠丝杠,要求所选丝杠的额定动载荷,C,a,C,2）对滚珠丝杠副进行校核,包括：效率校核、刚度校核、稳定性校核,4、等效转动惯量的计算,（1）确定减速比i,（2）确定齿轮的齿数和模数,根据减速比确定齿轮齿数,一般模数取,m,=12,数控钻取,m,=1，,数控车和数控铣取,m,=2,齿轮宽,b=(36),m,为了消除齿轮侧隙，齿宽可加大到（610）,m,（3）齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算,（4）工作台折算到丝杠的转动惯量,式中：,Fx-进给方向的切削分力（N）,最大切削负载时所需力矩,Mf-摩擦力矩,Fx-走刀方向的切削分力（N）,Fx-进给方向的切削分力（N）,（4）工作台折算到丝杠的转动惯量,最大切削负载时所需力矩,第 7 章,快速空载起动时所需力矩,包括：刀具补偿、间隙补偿、显示、诊断功能等,F0-导轨的摩擦力（N）,（5）传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量,对于一级齿轮减速传动系统：,有4个转动体：电机、齿轮1、齿轮2、丝杠,一个移动体：工作台,则传动系统总的等效转动惯量为,（3）齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算,在原机床进给丝杠尾部加装减速箱和步进电机；,Mamax-空载起动时折算到电机轴上的加速力矩,（3）齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算,1）主轴变速方法、级数、转速范围以及是否需要数控制动停车等；,Dmax-车床床身上加工最大直径（mm）,Fx-走刀方向的切削分力（N）,4、等效转动惯量的计算,n-主轴计算转矩（r/min），是主轴传递全部功率时的最低转速,为保证控制精度，应尽量减小阻力，以提高步进电机驱动力矩的有效率；,数控钻取m=1，数控车和数控铣取m=2,取00.,按比例分别求出分力Fx和Fy：,Mn-主轴传递的扭矩（N.,最大切削负载所需力矩M切,1、纵向进给运动的负载分析,5、步进电机的选择,（1）电机启动力矩的计算,电机在启动或正常运行时主要受到三种力矩的影响。,快速空载启动力矩M,起,快速进给所需力矩M,快,最大切削负载所需力矩M,切,快速进给时所需力矩,M,amax,-空载起动时折算到电机轴上的加速力矩,M,f,-摩擦力矩,M,0,-附加摩擦力矩,M,t,-切削力作用时的力矩,快速空载起动时所需力矩,最大切削负载时所需力矩,空载起动时折算到电机轴上的加速力矩M,amax,式中：,摩擦力矩 M,f,其中：,F,0,-导轨的摩擦力（N）,i,-齿轮降速比,-传动链总效率，一般可取,=0.70.85,附加摩擦力矩 M,0,式中：,F,p,0,-滚珠丝杠预加负载（,N,），一般取进,给率引力的1/3,0,-滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般,取,0,0.9,在,M,起,、,M,切,两种力矩中取其大者作为选择步进电机的依据。对于大多数数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又较大，故电机力矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩往往小于加速力矩，,故常常用快速空载起动力矩作为选择步进电机的依据。,（2）步进电机的选择,2）根据最大静态转矩,M,jma,x,初选电机型号,电机的启动力矩与最大静态转矩之间具有下列关系：,1）确定电机的启动负载,步进电机,相数,3,4,5,拍数,3,6,4,8,5,10,0.5,0.866,0.707,0.707,0.809,0.951,3）验算电机,转矩与惯量的匹配要求的验算,T,L,/T,max,0.5 及J,L,/J,m,4,
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