机电一体化课程设计.docx
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机电一体化课程设计
第一章概述
一、机电一体化的基本特征
机电一体化技术是在机械学(mechanics)和电子学(electronics)之间发展起来的中间学科,故其英文学术名为Mechatronics,其涵义是机械和电子的集成技术,是在设计产品或制造系统时所思考的精密机械工程、电子控制及系统的最佳协同组合。
二、数控改造的意义和特点
数控技术的发展和机电一体化技术的发展时息息相关的。
当电子计算机应用到机床上时,就称之为数控机床。
数控技术的发展经历了两个阶段,第一个是NC(数控技术)阶段,第二个是CNC(计算机数控)阶段。
到目前为止,我国的数控普及率远不及西方发达国家,在现在这个国情下,机床的数控化改造就显得非常有意义。
近年来,许多企业为提高产品质量和效率,增强企业的市场竞争能力,对已有的部分机床设备实施了数控化改造。
改造后有的效果并不理想,有的达不到改造前的水平,还有的甚至完全无法使用。
究其原因,主要是盲目照搬国外“经验”,片面追求机床设备的“数控化率”及高档化,而不是根据本企业的实际状况来实施改造。
对多种机床设备进行数控化改造,必须从本企业的实际出发,根据企业的产品特点,从数控系统或数控装置的适用范围、被改造机床设备的状况和操作、改造人员技术素质等方面来综合分析,必要时还要找有关人员集体讨论决定数控化技改方案,以确保技改后的效果和质量,走中国特色的技改之路。
1.摸清数控机床设备的特点和适合加工产品的范围。
以数控机床为例,它的主要优点是:
“柔性”好、加工精度高、加工质量好、生产效率高;主要适合加工的产品(零件)可概括为8个字:
“复杂、精密、小批、多变”。
“复杂”是指形状、尺寸不规则的零件(人工控制易出错);“精密”是指精度要求高的零件(普通机床难以达到);“小批”是指批量不是很大的零件(批量很大的零件应采用专用机床);“多变”是指零件生产品种不固定(需经常变化)。
此外,数控机床只需改变加工程序,就可解决不同种类零件的加工,这种可变适应性,称为数控机床的“柔性”。
如果被加工的产品不属于上述情况,就没有必要把普通机床改造为数控机床,即使改造了,效果也不好。
2.充分了解国内外数控系统或数控装置的现状,结合本企业实际,选用合适的数控系统或数控装置,对一些简单的专用机床设备,也可用PLC或自制一些数控装置来控制(尽量采用成熟、可靠的技术)。
要了解“数控行业”的现状,需要一段时间的积累。
可通过多种机床设备展示会或博览会收集厂家的资料,或向中国机械工程协会等有关机构咨询,还可向已知生产数控机床设备的单位索取资料,并走访部分用户,了解其使用情况。
经过对比分析选取适合本企业产品的数控系统或装置。
例如,欲改造一台机床,需选用数控系统。
经调研国外较为著名的厂家有日本发那科公司(FANUC)、德国的西门子公司(SIEMENS)、美国的GE公司、Allen-Bradly公司、西班牙的FAGOR公司和日本大森等;国内的主要生产厂家有沈阳数控集团、上海开通、上海机研所、东方西门子、航天数控集团、北工大电子厂、航天巴山、西宁高源、南京大方等等。
有闭环控制交直流电机伺服数控系统,也有开环控制步进电机数控系统,品种繁多,档次各异。
选用时,首先考虑被加工零件的需要,在满足产品要求的前题下,尽量选用国内的、维修服务好的,性能可靠的经济型数控系统。
这样可节约成本,又便于维修及操作。
因为数控系统并非是国外的、越高档的、功能越多的就越好。
相反,购国外的高档数控系统价格及维修费昂贵,在满足所加工产品要求的前题下,多余功能不仅对操作人员要求高,还会增加产品的加工成本,降低产品的市场竞争力。
所以,笔者认为,在满足产品要求的前题下,选用上述国内后5个厂家的产品为宜。
3.数控化改造前,必须对被改造的机床设备的机械部分或相关结构装置进行检测、修复,以确保其机械精度或结构质量。
被改造的机床设备,在改造前必须请有经验的机修技术人员和设备技师对其进行检测修理,使其各项技术指标达到有关标准,也可根据被加工零件的实际要求,从标准中选几项主要检测项目进行检验。
在某些特定的场合还可以适当提高或降低被改造机床设备的精度要求或技术指标。
以车床改造为例,对床身导轨、主轴、拖板、刀架、尾座等检验项目多达18项(CG4020)。
目前,各机床厂出厂的机床精度是有差异的,对被改造的旧机床(以前出厂的)更是如此。
各厂的旧机床经过大修后并不按统一固定标准验收,所以被改造机床经修复后,按什么样的标准验收,应根据被加工零件或产品的精度来确定。
若通过大修仍达不到所需精度,进行数控化改造就失去了意义。
这时可考虑引进数控机床。
这一步工作在机床数控化改造过程中是非常重要的。
因为机床设备如达不到应有的机械精度或性能,无论用多好的数控系统或数控装置,都不能使改造后的机床设备提高其精度或结构性能。
因此,机械精度或结构装置性能,是确保整个机床设备综合质量的基础和根本,必须高度重视。
4.对被改造机床设备的改造可行性及改造价值进行评估。
机床设备在数控化改造前,应由有关人员对其改造的可行性进行评审,有价值的则改,反之,则不改。
如,对80年代以前生产的,服役期较长,精度差而即将淘汰的机床,就没有改造的价值,而对80年代以后生产的部分进口设备,其磨损小,但自动化程度不高,对这种设备改造一般有价值,花少量资金,就可使其上档次,往往比引进的高档设备更放心、更实用、更经济。
对于专用机床更是如此。
如有一台1985年进口的热处理电炉(数十万元),其控制及显示部分的电路,采用分离元件,已逐渐老化,控制及显示温度不准,常使被处理零件报废,已停止使用。
但其不锈钢保温箱体及电加热部分完好无损,丢弃十分可惜,经论证采用日本智能数字温控仪(单片机装置)对其进行改造,结果仅花几千元就使其成为一个工作可靠、控温精度高的高档专用炉窑设备,比进口的设备好用、好修、省钱。
机床设备是否具有改造价值,除看本身的可利用价值外,还应看被加工产品的市场潜力和经济价值。
例如摩托车的圆柱变档凸轮(变速鼓)是在圆柱面上加工曲线,如果从日本引进专用设备加工需数百万元。
1993年,对加工该产品的设备进行数控化改造可行性和改造价值论证后(采用上述思路),用普通铣床配上国产数控系统,仅花二万多元就改造成功了国内首台变速鼓数控专用铣床,产品质量不低于日本原件,效率超过日本高档数控设备。
这项技术在重庆推广后,先后有数家企业形成规模生产,产品价格由原22元/件降为7元/件。
据不完全统计,该产品在该地区年产总量达150万件以上,仅此一项每年就能给本地区企业节约成本150(22-7)=2250万元。
这充分说明了“改造价值”评估的重要性。
5.培养机电一体化的复合人才。
为企业技改、数控机床设备的引进、改造、维修、操作提供技术上的保障。
企业要搞好机床设备的数控化改造,必须培养一批机电一体化人才,建立一支专门队伍。
该队伍既用于技术改造,又用于数控机床设备的引进、消化、吸收、维修和生产操作。
企业技术改造成败及数控机床设备发挥效能的关键,在于是否具有这样一支机电一体化队伍。
(1)从大专院校引进相应专业的人才,同时采QU在职进修培养人才,二者结合进行。
实践证明从有实际工作经验的工程技术人员及工人中选拔人才进行在职培训,效果更为明显。
(2)制定一些奖励技改人员的政策和办法,留住技改人员。
由于企业的数控技改人员(包括改造、引进、维修、编程、操作人员等)往往是间接为企业创造效益的,所以其待遇普遍偏低(主要是国有企业)。
国家劳资部门对新兴的数控工作岗位(工种)无政策界定,严重挫伤了这部分人员的积极性,导致其大量外流,国企成了外企和私企的“实验室和磨刀石”。
所以,旧的劳动工资制度必须改革,才能留住人才。
以上是笔者对机床设备改造的初步探索和思路。
由于企业的类型多样化,机床设备的品种千差万别,有关机床设备数控化改造的问题有待于在实践中进一步完善。
总之,搞好机床设备数控化改造,必将对我国老企业焕发生机(挖掘潜力),加快国有企业的现代化步伐起到积极而重要的推动作用。
三、X-Y工作台的基本组成和它的优点
作为本次课程设计的课题,数字控制型X-Y工作台是一个基本的数控机床系统,指能分别沿着X向和Y向移动的工作台。
数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同,都可以归于X-Y工作台系统。
本文通过对X-Y工作台的机械系统、控制系统的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的的技术。
X-Y工作台的工作原理是X、Y向均采用伺服电机,通过齿轮减速和丝杠传动,带动工作台作X、Y方向的移动。
一个完整的开环控制X-Y工作台应该有控制器、接口电路、步进电机、传动机构和工作台几个单元组成,它们的组成关系可以用下面的框图表示:
控制器→接口电路→步进电机→传动机构→X-Y工作台
Fig1
第二章机械传动部件
机械传动实质是一种力矩到速度的变换,实现驱动电机与负载之间转距和运动速度的合理匹配,实现受控对象的运动学要求。
在机电系统中机械传动装置及受控机械对象又往往是伺服控制系统的一个组成部分,应该满足一定的动力学要求。
这一章的内容是计算电机负载力矩大小,选用传动方式,选择步进电机等等。
一、滚珠丝杠螺母副的计算和选型
机电一体化系统的控制对象是机械,从执行驱动部件到受控对象往往通过机械传动,机械传动机构是伺服系统重要的组成部件之一。
机械传动可以分为四个类型,有摩擦传动、齿合传动、推压传动和精压传动等几个类型,其中齿合运用较普遍而且形式也最多。
课题提供的原始参数中说明了工作平台是用滚珠丝杠螺母副传动,属于第二种传递类型。
滚珠丝杠螺母副分为外循环插管式和内循环反向器式。
结构型式如图2所示,外循环插管式可以保证滚珠成切线进入,实现无冲击的匀速运动,允许丝杠高速旋转,精度很高;内循环反向器式丝杠螺母副尺寸较小,制造容易,经济性好。
设计中,我们采用的滚珠丝杠螺母副形式就是第二种,内循环反向器式丝杠螺母副。
Fig2滚珠丝杠螺母副结构类型
1、丝杠进给率引力Fm的计算:
作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。
其值与导轨的型式有关。
如果是燕尾形的导轨,Fm计算公式如下:
Fm=KFx+f’(Fx+2Fy+G)N
式中,Fx、Fy、Fz——切削分力;
G——移动部件的重量;
f’——导轨摩擦系数;
K——考虑颠覆力矩的试验参数;
正常情况下,K=1.4,由于该X-Y工作台是钻床工作台,所以X、Y向的切削力为零,参考原始参数可知,移动部件的重量G=3×10=30N,f’=0.05,所以最后求得Fm=0.05×30=1.5(N)。
2、计算最大动态负载C:
在一定的轴向负载作用下,丝杠在回转100万转后,在它的管道上不产生点蚀现象。
这个轴向负载的最大值就称之为滚珠丝杠能承受的最大动负载C,计算公式:
C=(L)1/3×fw×Fm
L是寿命,以100万转为单位,L=60×n×T/106,
N是丝杠转速,(r/min),n=1000Vs/L0,
Vs是最大切削力下的进给速度,由于钻床工作台XY向没有切削力,所以最大动态负载不需考虑。
3、刚度计算:
滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性,所以应考虑以下引起轴向变形的因素:
1)丝杠的拉伸或压缩变形δ1,它在总变形量中占有很大比重,用计算法或查图表法求得,这里只用计算法。
丝杠在工作负载Fm的作用下引起每一导程L0的变化量ΔL(mm)=±Fm×L0/EF,
E——弹性模量,取E=20.6×104N/mm2,F——丝杠的横截面积(mm2)
总长度上拉伸或压缩的变形量δ1(mm)=(ΔL/L0)×L=Fm×L/EF。
L是滚珠丝杠在支撑间的受力长度。
那么,本此设计中,X轴的变形量
Xδ1=1.5×280/(20.6×3.14×102)=0.06mm
Y轴的变形量
Yδ1=1.5×360/(20.6×3.14×102)=0.08mm
2)滚珠与螺纹滚道之间的接触变形δ2。
当对丝杠加有预紧力,且预紧力为轴向最大负载的1/3时,δ2之值可减少一半。
由于课题提供的参数不足,不能求出这一项变形量,
3)支承滚珠丝杠的轴承接触变形δ3,不同类型的轴承接触边学领可以用不同的公式计算,轴承的类型有几种,如推力球轴承、向心推力球轴承、圆锥滚子轴承、推力滚子轴承等等。
4)还有其他一些变形,但一般都比较小,常常活略不计,如有滚珠丝杠的扭转引起导程的变形、螺母座及轴承支座的变形等。
4、滚珠丝杠螺母副几何参数的计算
在确定了滚珠丝杠的公称直径和导程后,就可以按照下表计算滚珠丝杠螺母副的各个部件的几何参数。
表2滚珠丝杠副的几何参数
名称
符号
计算公式
螺纹滚道
公称直径
d0
螺距
L0
接触角
β
钢球直径
dq
滚道法面半径
R
R=0.52dq
偏心距
e
e=(R-dq/2)sinβ
螺纹升角
γ
γ=arctg(Lq/πd0)
螺杆
螺杆外径
d
d=d0–(0.2~0.5)dq
螺杆内径
d1
d1=d0+2e-2R
螺杆接触直径
dz
dz=d0—dq×cosβ
螺母
螺母螺纹直径
D
D=d0-2e+2R
螺纹内径(外循环)
D1
D1=d0+(0.2~0.25)dq
5、滚珠丝杠副的精度等级及其标注方法
滚珠丝杠副的精度等级按照机械部工业标准JB3162.2-91的规定分七个等级,即1、2、3、4、5、7和10,精度级别从1依次降低。
查找关于滚珠丝杠的技术规范,滚珠丝杠的标注方法如图3所示(sample),以及循环方式、结构特征和预紧方式向对应的代号如表3、4、5所示。
Fig3滚珠丝杠标注方法
表3循环方式和代号
循环方式
代号
内循环
浮动式
F
固定式
G
外循环
插管式
C
表4结构特征和代号
结构特征
代号
导珠管埋入式
M
导珠管凸出式
T
表5预紧方式和代号
预紧方式
代号
变位导程预紧(单螺母)
B
增大钢球直径预紧(单螺母)
Z
垫片预紧(双螺母)
D
螺帽预紧(双螺母)
L
无预紧(单螺母)
W
根据课题提供的关于丝杠的参数,我们可以知道X轴所需的丝杠型号是
GL2006L–3-P7-400×280
Y轴GL2006L–3-P7-480×360
在丝杠使用时要注意以下几项:
a、品在出厂前已经调整好预紧力,请勿任意改变。
b、由于滚珠丝杠副传动效率高,不能自锁,要防止螺母从丝杠上脱出。
c、要采取安全措施,防止在主机运行中螺母脱离螺纹滚道。
d、螺母上的注油孔的位置,若用户有特殊要求,可在图中标明。
e、要定期往螺母内注入润滑油或油脂。
要防止灰尘进入螺母体内。
6、预紧方式
在丝杠传动过程中存在间隙非线性,会使控制性能变差,故要采取措施消除间隙并适当预紧,主要方法有以下几种,双螺母齿差式、双螺母螺纹式、双螺母垫片式和单螺母变位导程自预式。
在设计中我们采用双螺母螺纹式,结构形式如图4所示,
Fig4双螺母螺纹式预紧
这种方式的特点式结构简单,但难以控制,容易松动,则准确性和可靠性较差,故在设计中在上螺母时加上一个垫圈,且用两个螺母锁紧,这样可以克服它的缺点。
二、滚动导轨的计算和选型
目前,滚动导轨在数控机床上的应用非常广泛,因为其摩擦系数小,课题参数导轨摩擦系数为f=0.05,动静摩擦系数很接近,几乎不会受到速度变化的影响。
这种导轨摩擦发热小,磨损小,精度保持性好,不会有低速爬行现象,因而定位精度搞。
滚动导轨的设计包括选择结构形式,确定预紧方式,计算和确定几何参数。
1、选择滚动导轨的结构形式
滚动导轨可以分为两大类,一是滚动体不作循环运动的直线运动导轨,二是滚动体作循环运动的直线运动导轨。
滚动体不作循环运动的导轨又可以分为滚珠导轨、滚柱导轨和滚针导轨三类。
其中,滚珠导轨结构紧凑,制造容易,成本低,但是由于是点接触,因而刚性低,承载力小,使用于载荷小于2000N、切削力和颠覆力矩都较小的机床;滚柱导轨的承载能力和刚度都比滚珠导轨大,适用于,但对导轨的平行度要求高,否则会引起滚柱的偏移和侧向滑动;滚针导轨的承载能力更大,但摩擦系数也要大一些。
滚动体作循环运动的直线运动导轨,又称为直线导轨块组件,是由专业厂家生产的导轨块组件,这种导轨的制造精度很高,而对机床基面的要求不高,安装调试非常方便。
其刚度高,承载力大,在数控机床上得到越来越广泛的采用。
2、滚动导轨预紧方式的确定
滚动导轨经过预紧之后,会显著提高精度,但预紧力过大也会使牵引力增加。
常用的预紧的方式有两种:
采用过盈配合或调整元件。
一般导轨在出厂时就已经调好了预紧力。
3、滚动导轨的参数计算
1)滚珠尺寸和数目
滚动体的直径愈大,滚动摩擦阻力和接触应力就愈小,但直径选择过大,不仅摩擦阻力加大,还会有滑动现象,本课题选用6mm。
滚珠的数目要适当,数目太少,那么导轨的制造精度将会明显影响位置精度;数目过大,那么就会出现载荷在滚动体上分布不均的现象。
通常,每个导轨滚珠的数量为12~16个。
可以用经验公式确定滚珠的数目最大值
Z珠≤G/(9.5×d0.5)
G——两根导轨上所承担的运动部件的重量(N);
d——滚珠直径(mm)
2)导轨的长度
导轨的长度要大于等于动导轨长度加上动导轨的行程,这里动导轨即是工作平台的尺寸,那么我们要求的支撑导轨的长度至少为100+150=250mm。
在实际设计的时候,X轴导轨长度为250即可,但Y轴向的导轨要长一点,因为Y轴的导轨还要支撑起X轴的托架(230mm),所以Y轴导轨长度至少要230+100=330mm。
同时,还需要考虑道螺母的轴向长度和安全长度,最后我选用的X轴支撑导轨长度为280mm,Y轴为360mm。
第三章步进电机的选择和计算
课题要求的驱动电机是四相八拍步进电机,我先简单的把步进电机作解释。
步进电机是一种将电能转变为动能的基本部件。
步进电机主要由定子和转子构成。
定子的主要结构是绕组。
三相、四相、五相步进电机分别有三个、四个、五个绕组,其它以此类推。
绕组按一定的通电顺序工作着,这个通电顺序我们称为步进电机的“相序”。
转子的主要结构是磁性转轴,当定子中的绕组在相序信号作用下,有规律的通电、断电工作时,转子周围就会有一个按此规律变化的电磁场,因此一个按规律变化的电磁力就会作用在转子上,使转子发生转动。
步进电机分三种:
永磁式(PM),反应式(VR)和混合式(HB)。
永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度或15度;反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大,在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点,它又分为两相和五相:
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度,这种步进电机的应用最为广泛。
一、转动惯量计算
在工作台系统里,共有工作台、丝杠、托架、联轴器和齿轮系等靠电机驱动,当把这些平移的和转动的物体的转动惯量之和算出,便可以知道整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量。
由于本课题不要求用齿轮传动,则可以用下面的公式分别计算各自的惯量:
1、负载惯量
1)做直线运动物体的惯量J1=W(l/2π)2
2)滚珠丝杠惯量J2=1/8(WD2)
3)负载惯量J=J1+J2
2、移动速度的脉冲速率f2,已知1600pps。
3、计算启动转距
计算出电机在在启动时的转距是很有必要的。
由参数知道,电机启动的脉冲速率500pps,那么就可以计算启动转距Ts:
Ts=(π/180)θf1(J/g)(l/f)(N·m)
4、计算加速转距
电机从500到1600pps,上升时间0.08s,需要的加速转距Ta为:
Ta=(π/180)θ(f2-f1)J(1/gΔt)(N·m)
5、全负载转距TL
从上面求得的Ta和参数提供的滚珠丝杠的摩擦转距Tm,可以得出:
TL=(Ta+Tm)×(1/η)
6、确定电机
电机的启动转距和全负载转距一般取上面计算结果的2倍,即启动转距2Ts,全负载转距2TL。
由上面的几个公式,就可以分别确定X轴可Y轴电机了,经过计算,以X轴为例:
a、作台惯量J=J1+J2=3×(1600×0.0125×10-3/2π)2+0.125×1.3×(20×10-3)2=95.4×10-6(kg·m2)
b、启动转距Ts=95.4×10-6×(π/180)×0.75×500
=6.24×10-3(N·m)
c、加速度转距Ta=95.4×10-6×(π/180)×0.75×(1600-500)/(0.08×10)=1.717×10-3(N·m)
d、负载转距TL=(Ta+Tm)/η=5.02×10-3(N·m)
所以,X轴步进电机启动转距2Ts=1.25×10-2(N·m)
全负载转距2TL=10.04×10-3(N·m)
而Y轴步进电机差不多是X轴电机的两倍,则Y轴步进电机满足
启动转距2Ts=2.5×10-2(N·m)
全负载转距2TL=20.08×10-3(N·m)
第四章电气控制系统设计
步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构,由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统,当系统接受一个电脉冲信号时,步进电机的转轴将转过一定的角度或移动一定的直线距离,电脉冲输入越多,电机转轴转过的角度或直线位移就越多;同时,输入电脉冲的频率越高,电机转轴的转速或位移速度就越快。
图5是步进电机控制系统的基本功能框图。
Fig5步进电机控制框图
一个完整的电气控制系统不但要包括步进电机驱动电路,还需要有键盘、显示和安全电路,另外,中心控制器用8031的话,则还要进行内存的扩展。
一、中央控制处理器
CPU的选择要考虑以下几个因素:
1、时钟频率和字长,这影响到数据处理速度。
2、可扩展存储器(ROM和RAM)的容量。
3、I/O扩展能力,即对外控制的能力。
4、开发手段,包括支持开发的软件和硬件电路。
5、此外还要考虑系统应用场合以及性价比等等。
目前,在经济型数控机床中,一般使用MCS-51系列单片机较多。
其中的8031作为本次设计的中央处理器。
其芯片管脚如图6所示,
Fig6单片机8031管脚示意图
单片机8031的功能相当于Z80CPU。
一块RAM、一块80ZCTC、两块Z80PIO和一块Z80SIO所组成的微机系统。
其使用说明就不详述。
二、储器扩展电路设计
由于8031内部没有ROM,那么就有必要对它进行存储器扩展,用来作程序存储,使用6264作EPROM芯片,再用两片6264作RAM扩展、
1、数据线的连接
采用并连方式把8031的P0口连接到各个扩展芯片的数据口,P0输出不用接上拉电阻。
2、地址线的连接
地址信号来自8031的P0和P2口,存储器的低八位由P0分时送出,但必须用地址锁存器74LS373保存起来,这样一方面P0口可以送出数据信号,另一方面锁存器输出的低八位地址和P2口的高八位地址一起实现对存储单元的访问。
在设计中,P2口输出的高八位地址没有全部使用,只是用了从P2.0到P2.4几位,然后用P2.6和P2.7作片选信号。
3、存储器地址分布和容量
ROM2764的片选信号用P2
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