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摘要:本文对机电一体化的发展趋势及数控系统总体方案的确定和机械部分的设计进行了简要分析。
关键词:机电一体化
1 机电一体化的发展趋势
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品,其技术范围覆盖很多领域。
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,他对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看,其主要研究热点有以下几个方面:
1.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从EMO2001展会情况来看,高速加工中心进给速度可达80m/min,甚至更高,空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。
1.2 5轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用5轴联动对三维曲面零件的加工,可用刀具最佳几何形状进行切削,不仅光洁度高,而且效率也大幅度提高。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因,其价格要比3轴联动数控机床高出数倍,加之编程技术难度较大,制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现,使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化,其制造难度和成本大幅度降低,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床含5面加工机床的发展。
1.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。
2 机电一体化系统设计的主要内容
一般来说,机电一体化系统设计的主要内容包括以下几方面:
2.1 数控装置总体方案的确定 ①数控装置设计参数的确定;②方案的分析,比较,论证。
2.2 机械部分的设计 ①确定脉冲当量;②机械部件的总体尺寸及重量的初步估算;③传动元件及导向元件的设计,计算和选用;④确定伺服电机;⑤绘制机械结构装配图;⑥系统等效惯量计算;⑦系统精度分析。
2.3 数控系统的设计 ①微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计;②I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用;③系统控制软件的设计
由于篇幅所限,本文主要介绍前两部分的内容,即数控系统总体方案的确定和机械部分的设计。
3数控系统总体方案的确定
数控系统总体方案设计的内容包括:系统运动方式的确定,执行机构及传动方案的确定,伺服电机类型及调速方案确定,计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。
3.1 系统运动方式的确定 该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。
3.2 伺服系统的选择 开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件,因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单,调整维修容易,在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。考虑到运动精度要求不高,为简化结构,降低成本,宜采用步进电机开环伺服系统驱动。
3.3 计算机系统的选择 采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高,可靠性好,功能强,速度快,性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。
3.4 X—Y工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑,采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙,采用有预加载荷的结构。
由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大,故选用滚动直线导轨副,从而减小工作台的摩擦系数,提高运动平稳性。
4 机械部分设计
机械部分设计内容包括:确定系统脉冲当量,运动部件惯性的计算,选择步进电机,传动及导向元件的设计、计算与选择,绘制机械部分装配图等。
4.1 确定系统脉冲当量 脉冲当量δp是一个进给指令时工作台的位移量,应小于等于工作台的位置精度,由于定位精度为±0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。
4.2 工作台外形尺寸及重量初步估算 根据给定的有效行程,画出工作台简图,估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。
4.3 滚动导轨副的计算、选择 根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P,式中:C0为导轨的基本静额定载荷,kN;工作载荷P=0.5(Fz+W);fSL=1.0~3.0(一般运行状况),3.0~5.0(运动时受冲击、振动)。根据计算结果查有关资料初选导轨:
4.4 滚珠丝杠计算、选择 初选丝杠材质:CrWMn钢,HRC58~6
0,导程:l0=5mm
4.4.1 强度计算。丝杠轴向力:Fmax=KFx,y+f (Fz+Wx,y)(N)
其中:K=1.15,滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005;在车床车削外圆时:Fx=(0.1~0.6)Fz,Fy=(0.15~0.7)Fz,可取Fx=0.5Fz,Fy=0.6Fz计算。
4.4.2 传动效率计算。丝杠螺母副的传动效率为:
式中:φ=10’,为摩擦角;γ为丝杠螺旋升角。
4.4.3 稳定性验算。丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。
4.4.4 刚度验算。滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为:
(cm)
Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算。
4.4.5 齿轮计算、设计 因步进电机步距角θb=1.5°滚珠丝杠螺距t=5mm,要实现脉冲当量δp=0.01mm/step,在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比:i=,初选步进电机步距角:α=1.5°/step。
4.4.6 等效转动惯量的计算 根据等效转动惯量的计算公式,折算到步進电机轴上的等效负载转动惯量为:
式中:Jq为折算到电机轴上的惯性负载;J0为步进电机轴的转动惯量;J1为齿轮1的转动惯量;J2为齿轮2的转动惯量;J3为滚珠丝杠的转动惯量;M为移动部件的质量。
4.4.7 步进电机启动力矩的计算 设步进电机的等效负载力矩为T,负载力为P,根据能量守恒原理,电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系:Tφη=Ps
式中φ为电机转角,S为移动部件的相应位移,η为机械传动的效率。
关键词:机电一体化
1 机电一体化的发展趋势
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品,其技术范围覆盖很多领域。
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,他对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看,其主要研究热点有以下几个方面:
1.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率,提高产品的质量和档次,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从EMO2001展会情况来看,高速加工中心进给速度可达80m/min,甚至更高,空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂,包括我国的上海通用汽车公司,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。
1.2 5轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用5轴联动对三维曲面零件的加工,可用刀具最佳几何形状进行切削,不仅光洁度高,而且效率也大幅度提高。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因,其价格要比3轴联动数控机床高出数倍,加之编程技术难度较大,制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现,使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化,其制造难度和成本大幅度降低,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床含5面加工机床的发展。
1.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如加工过程的自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。
2 机电一体化系统设计的主要内容
一般来说,机电一体化系统设计的主要内容包括以下几方面:
2.1 数控装置总体方案的确定 ①数控装置设计参数的确定;②方案的分析,比较,论证。
2.2 机械部分的设计 ①确定脉冲当量;②机械部件的总体尺寸及重量的初步估算;③传动元件及导向元件的设计,计算和选用;④确定伺服电机;⑤绘制机械结构装配图;⑥系统等效惯量计算;⑦系统精度分析。
2.3 数控系统的设计 ①微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计;②I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用;③系统控制软件的设计
由于篇幅所限,本文主要介绍前两部分的内容,即数控系统总体方案的确定和机械部分的设计。
3数控系统总体方案的确定
数控系统总体方案设计的内容包括:系统运动方式的确定,执行机构及传动方案的确定,伺服电机类型及调速方案确定,计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。
3.1 系统运动方式的确定 该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。
3.2 伺服系统的选择 开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件,因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单,调整维修容易,在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。考虑到运动精度要求不高,为简化结构,降低成本,宜采用步进电机开环伺服系统驱动。
3.3 计算机系统的选择 采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高,可靠性好,功能强,速度快,性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。
3.4 X—Y工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑,采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙,采用有预加载荷的结构。
由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大,故选用滚动直线导轨副,从而减小工作台的摩擦系数,提高运动平稳性。
4 机械部分设计
机械部分设计内容包括:确定系统脉冲当量,运动部件惯性的计算,选择步进电机,传动及导向元件的设计、计算与选择,绘制机械部分装配图等。
4.1 确定系统脉冲当量 脉冲当量δp是一个进给指令时工作台的位移量,应小于等于工作台的位置精度,由于定位精度为±0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。
4.2 工作台外形尺寸及重量初步估算 根据给定的有效行程,画出工作台简图,估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。
4.3 滚动导轨副的计算、选择 根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P,式中:C0为导轨的基本静额定载荷,kN;工作载荷P=0.5(Fz+W);fSL=1.0~3.0(一般运行状况),3.0~5.0(运动时受冲击、振动)。根据计算结果查有关资料初选导轨:
4.4 滚珠丝杠计算、选择 初选丝杠材质:CrWMn钢,HRC58~6
0,导程:l0=5mm
4.4.1 强度计算。丝杠轴向力:Fmax=KFx,y+f (Fz+Wx,y)(N)
其中:K=1.15,滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005;在车床车削外圆时:Fx=(0.1~0.6)Fz,Fy=(0.15~0.7)Fz,可取Fx=0.5Fz,Fy=0.6Fz计算。
4.4.2 传动效率计算。丝杠螺母副的传动效率为:
式中:φ=10’,为摩擦角;γ为丝杠螺旋升角。
4.4.3 稳定性验算。丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。
4.4.4 刚度验算。滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为:
(cm)
Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算。
4.4.5 齿轮计算、设计 因步进电机步距角θb=1.5°滚珠丝杠螺距t=5mm,要实现脉冲当量δp=0.01mm/step,在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比:i=,初选步进电机步距角:α=1.5°/step。
4.4.6 等效转动惯量的计算 根据等效转动惯量的计算公式,折算到步進电机轴上的等效负载转动惯量为:
式中:Jq为折算到电机轴上的惯性负载;J0为步进电机轴的转动惯量;J1为齿轮1的转动惯量;J2为齿轮2的转动惯量;J3为滚珠丝杠的转动惯量;M为移动部件的质量。
4.4.7 步进电机启动力矩的计算 设步进电机的等效负载力矩为T,负载力为P,根据能量守恒原理,电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系:Tφη=Ps
式中φ为电机转角,S为移动部件的相应位移,η为机械传动的效率。