机电一体化基本概念.ppt

,7 典型机电一体化系统7.1 工业机器人 7.1.1 概述 工业机器人是典型的机电一体化系统，具有控制精度和响应速度要求高、机构复杂等特点，是实现工业自动化、加工自动化必不可少的设备。它可以代替人来完成搬运物品、铆焊、装配等一系列工作，其中HRGP-1A喷漆机器人，是比,较典型的工业机器人。HRGP-1A喷漆机器人是在消化、吸收美国4500型机器人的基础上开发研制的新产品，它具有国际80年代末期的水平。该机器人具有下述特点：(1）操作机采用挠性手腕结构，具有三个自由度（左右摆动，上下摆动，回转运动）。（2）作动器采用分离活塞直线运动油缸，减轻了示教力。,（3）采用旋转变压器作为反馈元件，提高了伺服系统反馈精度。7.1.2 HRGP-1A喷漆机器人的构成、原理及基本参数 7.1.2.1 构成及工作原理 HRGP-1A喷漆机器人由操作机、微型计算控制装置和液压能源三部分构成，操作机采用多关节式。它的机构原理是，由一个直线油缸通过,摇杆机构驱动腰部旋转运动。两个直线油缸分别驱动三连杆机构和四连杆机构，实现垂直臂的前后摆动和水平臂的上下俯仰运动，使喷枪达到活动范围内的任意位置。腕部采用挠性手腕结构，分别由两个小型直线油缸驱动，实现手腕左右、上下摆动。腕部的旋转运动油一个摆动油缸驱动，使喷枪实现姿态变化。机器人的驱动采用电液伺服系统，通过安装,在作动器上的伺服阀，将电信号转化为液压流量，向作动器提供液压动力。每个作动器内装有旋转变压器作为反馈元件，构成闭环伺服控制，由微型计算机系统控制各自由度的运动，实现操作机的连续轨迹控制。喷漆机器人工作分示教和再现两个过程，所谓示教即操作人员用手操纵操作机的关节和手腕，根据喷漆工件形面进行示教。此时，中央处,理器通过旋转变压器将示教过程中测到的参数存入存贮器，即把示教喷漆的空间轨迹记录下来。所谓再现，即由计算机控制机器人运动，中央处理器将示教时记录的空间轨迹信息取出，经过插补运算与采样得到的位置数据进行比较，将其差值调节后输出，控制操作机按示教的轨迹运动。基本参数 操作机的结构为六自由度多关节式，驱动系,统为电液伺服驱动，控制采用微型计算机系统控制。示教分为手把手示教和示教盒示教。存贮容量：PTP最大容量为38000点，CP最大容量为128min。最大速度为1.7m/s。位置重复精度为2.5mm。动作时间采样频率为10Hz、40Hz、50Hz。喷漆机器人外形尺寸及工作范围如图7.1所示。,图7.1 喷漆机器人外形及工作范围,7.1.3HRGP-1A系统的设计 喷漆机器人设计内容主要包括确定基本参数、操作机的结构形式、选择驱动系统的种类和运动学的分析。喷漆机器人操作设计中的技术关键有下面几点。（1）腰部回转机构的设计 腰部回转角度为93，采用四连杆机构，它由一个直线油缸、驱动摆杆和连杆组成，使腰部,作回转运动。这种机构工作可靠，结构简易。其原理如图7.2所示。图7.2 腰部转动机构示意图,（2）水平臂和垂直臂平衡系统设计 喷漆机器人的水平臂和垂直臂均采用悬臂梁结构，由伺服液压缸提供动力，使水平臂和垂直臂运动并保持一定的姿态。水平臂和垂直臂在重力作用下都有下降的趋势。在工作过程中，由伺服液压缸平衡其重力但在示教中要求伺服液压缸卸荷，由人工操作。此时需要弹簧平衡机构见效操作时的示教力，同时防止液压缸突然卸荷，水,平臂和垂直臂发生撞击，损坏机器。因此，仅有液压缸来平衡重力是不行的，必须要有弹簧平衡系统。对平衡系统的设计要求是，机构无论处于何种姿态，平衡力矩等于或稍大于重力矩。平衡机构原理见图7.3。,图7.3 平衡机构原理图,（3）挠性手腕的设计 挠性手腕是由三副万向节和两对伞状齿轮啮合组成。揉性手腕部分外径尺寸为110mm，外部装有防尘波纹套。它的运动是由左右两个直线作动器控制，使手腕上下左右各做88摆动，手腕由摆动液压缸驱动，使它作210的转动。设计时对十字连轴器、球形齿面的齿、凸齿的形状、齿形分布、齿形的修正均有较高的要求。,（4）操作机的材料选择 为了提高运动灵敏度、精度及响应速度，水平臂和上支撑座用铝合金制成、其重量轻、惯性小。底座支撑件使用铸铁和钢材，保证具有足够的强度和刚度。7.1.3.2 电液伺服驱动的设计 驱动系统是直接驱动各部件动作的机构/喷漆机器人工作在易燃、易爆的气氛中，为了防,爆，采用电液伺服系统作为驱动系统。机器人具有六个自由度，每个自由度由一套电液伺服系统驱动。机器人运动时，各运动参数产生变化，动力参数也随之变化。电液伺服系统为多输入、多输出变量系统。系统与系统间具有负载效应。根据喷漆工艺要求，操作机必须具有运动速度高、工作稳定、位置重合精度高等能力，以适应复杂形面的喷漆。,为此要求各电液伺服系统快速响应特性一致，不受其他系统干扰。系统框图见图7.4所示,伺服系统中采用分离活塞式作动器，以使机器人在示教中轻便、灵活，而且示教力小。其原理是，在示教时其活塞杆分离，见效摩擦力。示教完成后再现时，液压泵开动时后，随着液压的建立，将分离活塞推动，与活塞压紧成一体，再现开始后压力油受伺服阀的控制，推动活塞，带动活塞杆推动负载工作。分离活塞式作动器工作原理结构如图7.5所示。,图7.5 分离活塞式作动器工作原理 1组合密封 2平衡环 3缸筒 4活塞杆 5分离弹簧 6套筒 7活塞,机器人腰部的伺服阀选用FF106-63型，额定流量为63L/min，额定压力21MPA。垂直臂、水平臂、手腕关节均选用防爆伺服阀，额定流量为20L/min，额定压力为7MPa。旋转变压器是喷漆机器人电液伺服系统中的重要反馈元件，安装在伺服作动器内。它体积小、重量轻、精度高，与8751单片机解码电路等组成了机器人的位置检测系统。,这个系统抗电干扰能力强、重复性好、稳定性好、系统综合误差小于等于6或-6。7.1.3.3 液压能源的设计 液压能源为喷漆机器人中的电液伺服系统提供高压油。能源工作时要流量满足6个执行机构同时工作的速度要求，要使操作机具有足够的力矩。示教时，示教力要小，执行机构稳定性要好，同时液压系统长时间工作时油温能控制在,规定的范围内。因此能源系统设计时，液压泵选为恒压变量泵。它提供的流量和压力能够满足执行机构力（或力矩）及运动速度的要求，并能节约能源。阀组件采用集成化的结构，体积小、导管连接少，维修方便，为了使机器人示教力小，采用电磁阀和液控阀组成的卸荷回路，使主油路的压力、蓄能器压力、回路背压在示教时全部卸荷。能源系统原理如图7.6所示。,图7.6 液压能源系统原理图,7.1.3.4 微型计算机控制系统 计算机控制系统是喷漆机器人控制的核心。其操作方式是示教再现，控制方式为CP（连续控制）和PTP（点位控制）。本系统的硬件框图如图7.7，采用双CPU工作，其中主CPU为8088，并配有协处理器8087，主要用于系统管理、插补运算、坐标变换、数据存储、喷漆控制及故障处理。从CPU8086主要用,于六个电液伺服控制。两个CPU各自配有相应的I/O接口和D/A接口。两个CPU之间有交换数据及命令的通信接口。从CPU通过通信接口与主CPU保持同步，机器人运动的轨迹数据及控制软件可以存入软盘。,图7.7 控制系统框图,操作指令通过示教盒和功能键盘输入，其中各有一片8031单片机，分别完成键盘的输入功能，键盘上有48个功能键，完成全部机器人的控制操作。示教盒上有24个按键和数码管显示，利用示教盒操作可以方便地在喷漆现场工作。控制装置还具有完善的故障显示及处理系统，可以用声和光的形式把故障显示出来，同时还可以做故障处理，如对于无危险的故障，则以,声、光信号报警，提示人们及时处理机器人的软件设计 主机程序采用汇编语言编程及模块化设计方法，并使用了自编汉字库。程序由主系统自检、初始化及主菜单、示教、再现、归位、排队、故障处理等几部分组成。从机主要由单片机及一些外围电路组成，它的主要任务是在示教方式下，接收机器人瞬时位置的六个自由度信号，经A/D转换送到主机。,另在归位及再现方式下，完成六个回路的控制规律的运算，使系统达到要求的精度和动态指标。7.1.4 应用范围及效果 HRGP-1A喷漆机器人适用于汽车、电子、家电、机械、建筑陶瓷等行业喷涂各种材料，具体应用如下：（1）汽车工业 用于汽车驾驶室、车厢等外表的喷漆，也,可以用于汽车底部喷漆防震、隔热的PVC胶等。（2）家电行业 喷涂油漆，如洗衣机、电冰箱、电视机外壳等。（3）建筑陶瓷业 用于喷涂各种陶瓷粉和陶瓷浆，如浴盆及各种清洁器具等。（4）机械制造业 用于各种机械零件、部件的表面喷漆。这种喷漆机器人已在汽车厂使用，实现了汽车底部喷胶工序自动化，取得较好的效果。,技术经济效益分析 HRGP-1A 喷漆机器人是由航空航天部某厂研制成功的新产品，并通过部级技术鉴定。为提高机器人的可靠性，对一些关键元器件及部件又做了改进，并做了各种可靠性试验，使产品更为完善、可靠，现已投入批量生产，提供用户使用。使用这种喷漆机器人后，可以得到很好的社,会效益。一般喷涂作业工作环境条件恶劣，大多是在有害气体和粉尘污染严重环境中工作。采用喷漆机器人后，可使工人从有害身体健康的环境中解放出来，故该机器人具有很好的社会效益；采用喷涂机器人后，实现工序自动化，生产效率大幅度提高，一般比手工操作提高效率5倍以上，同时可节省大量的喷涂材料，减少原材料的浪费，,并提高喷涂产品的质量，故该机器人又有很好的经济效益。,7.2 输送、搬运设备 大型机场都配有自动行李输送机构，它是典型的机电一体化系统，多采用可编程控制器（以下简称PLC）进行控制。图7.8是机场行李输送系统构成图。,图7.8 行李输送系统构成图 B1B19工作柜台 A1A19称量输送机 C1C12转载输送机 D行李转盘 E控制系统,图中 A1A19、B1B19、C1C6 设在二楼侯机厅，C10C12 设在一楼，C7、C9 设在二楼。该系统建成后，可同时办理10个以上航班登机手续。旅客在工作柜台办理登机手续，托运的行李经称量输送机送往转载输送机至行李转盘，由机场工作人员分检后送往各航班。7.2.2 控制要求 该系统分为A、B、C三个分系统。,7.2.2.1 A 系统 A 系统由 A1A3、B1B3、C1C3、D 设备组成，当 B1B3 工作柜台办理登机手续时，只需动用 A 系统。7.2.2.2 B 系统 B 系统由 A4A9、B4B9、C3C8、D 设备组成，当 B4B9 工作柜台办理登机手续时，只需动用B系统。,7.2.2.3 C系统 C系统由 A10A19、B10B19、C9C12、D 设备组成，当 B10B19工作柜台办理登机手续时，只需动用C系统。A、B、C各分系统由各自的启停按钮来控制，称量输送机A的启停由工作台下边的脚踏开关来控制。在每一个工作台（B1B19）上都设有启停按钮，但B1B3上的启停按钮只能启停A系统；,B4B9上的启停按钮只能控制 B系统；B10B19上的启停按钮只能起停 C 系统。设备按逆流程启动，这样可避免同时启动时电流过大，而影响其他设备。逆流启动顺序是，先启动下游输送设备，经延时后自下而上逐条向上游发展，如 C 系统输送设备的启动过程为：D C12 C11 C10 C9,设备的停车按顺流程进行，即先停上游输送设备，经延时后，自上而下逐条向下游发展，这样可以避免上游设备最后一件行李输出后，设备仍然运行而浪费能源，如 C 系统输送设备的停车过程为：C9 C10 C11 C12 行李转盘 D 的停车，则由安装在行李转盘边缘上的停车按钮控制。这主要考虑到行李送到转盘后不一定马上能分检，因此转盘的停车则由,分检人员控制。PLC 控制系统7.2.3.1 传统继电器控制系统的缺点 实践证明，采用传统的继电器控制系统进行这样复杂的控制，存在下列缺点：（1）继电器寿命短，可靠性差。（2）改变逻辑困难。继电器系统是由许多硬件组成，以执行专用的逻辑功能的。当被控对象需要改动工艺过程时，只能按新的逻辑关系对,硬件。进行组合，因而工作量大、改动困难。（3）设计工作量大，电控设备造价高，时间继电器就需30只左右，且定时不准确，调整困难。PLC 控制系统则不存在这些缺点，而且功能完备，编程灵活。7.2.3.1 PLC 控制系统的构成 PLC 的硬件组成，应考虑输入点有多少，以及控制设备的数量及要求。转载输送机C1C12、,转盘D的控制要求较复杂，因此采用PLC控制设备D与C1C12。该系统采用F1-60MR型 PLC 控制设备，其主要技术性能如下：输入 36点输出 24点程序容量 100步内部辅助继电器 无记忆128个，有记忆64个设时器 32个设数器 32个,PLC各输入、输出点和连接见图7.9图7.9 系统联接图,7.2.3.3 软件设计 软件设计主要分两个方面进行：（1）起动逆流程程序设计（2）停车顺流程程序设计（3）然后将两个程序的结果加以综合得到起停综合程序，见图7.10。,图7.10 C 系统起停程序图,图中只列举了C系统起停程序和综合程序。由于采用了PLC中的特殊功能PLS指令，使整个程序简单明确。PLS指令的功能见波形图7.11图7.11 PLS指令波形图,图中T为扫描全程序时间，Tmax=1ms、在起停程序中，T50T55计时器的延时时间由输送设备的启动时间确定，一般为34s。停车程序中的T450T452 的时间由下式确定（7.1）式中 Kt1C9输送机延时停车时间（s）；LC9C9输送机的长度（m）；VC9 C9输送机的运行速度（m/s）；,K修正系数，K1，可保证是最后一件行李送出该输送机后才能停车。在故障指示方面，利用 PLC中特殊功能，用一个输出点指示两种故障，如过载故障为闪光指示，急停故障为常光指示。程序与波形见图7.12。,当发生过载故障时常开触点501闭合，计时器T550发出每秒一个的脉冲串作用于210、211两个RS触发器组成的 T 触发器，使210产生一个占空比11的时钟脉冲，从而使输出点437带动指示灯闪光，而设备急停时常开触点12动作，输出点437带动的指示灯常亮。,7.3 数控设备7.3.1 数控设备概述 随着生产和科学技术的发展，特别是随着航空、航天、造船、电子和兵器等工业部门的发展，机械产品日趋精密、复杂，而且改型频繁，普通机床已完全不适应这些部门的加工要求。如对一些的曲线、曲面所构成的零件，手工操作甚至根本无法进行加工，因此数控机床已成为现代生产中必不可少的设备。,以数控机床为代表的数控设备的生产与应用水平，反映出一个国家的机械和电子工业水平，他的研制和推广应用。对业提高劳动生产率和产品质量，改变我过知道技术落后的状况，使我国机电产品走向世界，起着极为重要的作用。数控技术是工业自动化的一门基础技术，在数控机床及数控设备上得到广泛应用。由于篇幅的限制，本节将重点介绍机电一体化的典型产品数控机床的数控技术。,7.3.1.1 数控设备的结构和功能 数控设备是指通过数字化操作指令进行控制的一种设备，其基本结构框图如图7.13所示。图7.13 数控设备基本机构框图,（1）输入输出设备 输入输出设备的主要功能是：编制程序、输入、打印和显示。这一部分的硬件，简单者只有键盘和发光二极管LED显示器；一般的再加上纸带、磁带、磁盘输入机、人机对话编程操作键盘和CRT显示器；高级的还包含有一套自动编程机或者CAD/CAM系统。由这些设备实现编程程序、输入程序、输入数据，以及显示、贮存和打印等功能。,（2）计算机数控装置计算机数控装置是数控设备的“头脑”和“核心”。它根据输入的数据和程序，完成数据计算、逻辑判断、输入输出控制等功能。计算机控制装置一般由专用（或通用）计算机、输入输出接口，以及机床控制器（可编程控制器）等部分组成。机床控制器主要用于实现对机床辅助功能M、主轴选速功能S和换刀功能T的控制。,（3）伺服系统 伺服系统包括伺服控制线路、功率放大线路、伺服电机等执行装置，它接受数控装置发来的各种动作命令，驱动受控设备运动。伺服电机可以是步进电机、电液马达、直流伺服电机或交流伺服电机。,（4）受控设备 受控设备包括机床行业的各种数控机床和其它行业的许多数控设备，例如造船行业的数控火焰切割机，飞机制造行业的数控弯管机。以及电火花加工机、数控冲剪机、数控压力机、数控绘图机和数控测量机等。受控设备是被控制的对象，一般都需要对它进行位移、角度和各种开关量的控制。在受控设备上一般装有检测装置，以,便将位置和各种状态信号反馈给计算机数控装置，实现闭环控制。7.3.1.2 数控设备的分类 数控设备五花八门，种类繁多，许多行业都有自己的数控设备和分类方法。机床行业常见的分类方法有四种。,（1）按受控设备的工艺用途分类 1）普通数控机床 这种数控机床和传统的通用的机床一样，有车、铣、钻、镗、磨床等，而且每一类里又有很多品种。例如数控铣床中就有立铣、卧铣、工具铣、龙门铣等，这类机床的工艺性能和通用机床相似，所不同的是他能加工具有复杂形状的零件。,2）加工中心机床 这是一种在普通数控机床上加装一个刀库和自换刀装置而构成的数控机床。它和普通数控机床的的区别是：工件经一次装夹后，数控装置就能控制机床自动地更换刀具，连续地自动地对工件各加工面进行铣（车）、镗、钻、铰及攻螺纹等多工序加工，故有些资料上有称它为多工序数控机床。,3）多坐标数控机床 有些复杂形状的零件，用三坐标数控机床还是无法加工，如螺旋桨、飞机机翼曲面及其它复杂零件的加工等，都需要三个以上的坐标的合成远动才能加工出所需的形状，于是出现了多坐标的数控机床，特点是数控装置控制的轴数较多，机床结构也较复杂，坐标轴数的多少通常取决于加工零件的复杂程度和工艺要求。现在常用的有4、5、6坐标的数控机床。,4）数控特种加工机床 如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床等。（2）按受控设备的运动轨迹分类 1）点位控制系统 这类控制系统只控制运动部件从一点移到另一点的准确定位。在移动过程中不进行加工，对两点间的移动速度及与动轨迹没有严格要求，,可以先沿一个坐标移动完毕，再沿另一个坐标移动，也可以沿多个坐标同时移动。这类系统主要用于数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床和数控测量机等。相应的数控装置称为点位数控装置。2）直线控制系统 这类数控系统除了控制点与点之间的位置以外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也要进行控制，以便适应随,工艺因素变化的不同需要。这类系统主要用于简易的数控机床、数控镗铣床等。相应的数控装置称为直线控制装置。3）轮廓控制装置 这类控制系统能够对两个或两以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足图样的要求。这类系统的控制计算机，一般要求具有较高速度的数字运算和信息处理功能。这类系统主要用于数控,铣床、数控车床等设备上，以便加工具有复杂形状的零件，相应的数控装置称为轮廓控制装置。（3）按伺服系统的控制方式分类 1）开环控制 这类控制方式通常不带位置检测元件，伺服驱动元件为功率步进电机或伺服步进电机加液压马达。数控系统每发出一个指令脉冲，经驱动电路功率放大后，驱动脉冲电机旋转一个角度，再经传动机构带动工作台移动。这类系统信息流是,单向的，即进给脉冲发出后，实际运动值不再反馈回来，所以称为开环控制。开环控制系统框图如图7.14所示。图7.14 开环控制系统框图,这类控制系统受步进电机的步距精度和传动机构的传动精度影响，难于实现高精度控制。另外，进给速度也受步进电机工作频率的限制。但由于这种系统结构较简单，成本较低，技术容易掌握，所以使用较广泛，特别适用于旧机床改造的简易数控系统。2）闭环控制 这类控制方式带有检测装置，直接对工作台的实际位移量进行检测。,闭环控制系统框图见图7.15。图中A为速度测量元件，C为位置测量元件，。当指令值发送到位置比较电路时，若工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺服电机转动，通过A将速度反馈信号送到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与指令值进行比较，用比较后得出的差值进行控制，直至差值等于零时为止。这类控制系统，因为把机床工作台纳入了控制环，故称闭环控制系统。该系统,可以消除包括工作台传动链在内的误差，因而定位精度高，调节速度快。但由于工作台惯量大，对系统稳定性会带来不利影响，使调试和维修均较困难，且由于系统复杂和成本高，故较适用于精度要求较高的数控设备，如数控精密镗铣床。,图7.15闭环控制系统框图,3）半闭环控制 这类控制方式和闭环控制方式的区别在于检测反馈信号不是来自工作台，而是来自与电机相来联系的测量元件。半闭环控制系统框图见图7.16。通过测速发电机A和光电编码盘（或旋转变压器）B间接检测出伺服电机的转角，推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。从图7.16可以看出，由于工作台传动链没有,完全包括在控制回路内，因而称之为半闭环控制。这类系统介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便，因而得到广泛应用。图7.16 半环控制系统框图,4）混合控制 将以上三种控制方式的特点有选择地集中起来，组成混合控制方式，特别适用于大型数控机床控制系统，因为大型数控机床需要较高的进给速度和返回速度，又需要相当高的精度，如果只采用全闭环控制，机床传 动链和工作台全部置于控制环中，因素十分复杂，难于调试的稳定。混合控制方式又分为两种形式：,（a）开环补偿型 图7.17为开环补偿型控制方式，特点是基本控制选用步进电机的开环控制伺服机构，附加一个校正伺服电路，通过装在工作台上直线位移测量元件的反馈信号来校正机械系统的误差。,图7.17 开环补偿型控制,(b）半闭环补偿型 见图7.18，它的特点是用半闭环进行驱动，以取得高速控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环，然后用全闭环和半闭环的差进行控制，以获得高精度，其中A是速度测量元件（如测速电机），B是角度测量元件（如分解器），C是直线位移测量元件（如感应同步器）。,图7.18 半闭环补偿型控制,（4）按数控装置的功能水平分类 数控机床可以分为低、中、高档三类，这种分类方式，在我国用的很多。低、中、高档的界限是相对的，不同时期划分标准会不同。就目前的发展水平来看，大体可从以下几个方面区分。1）分辨率和进给速度 分辨率1m，进给速度815m/min为低档；分辨率1m，进给速度1524m/min为中档；分辨率0.1m，进给速度15100m/min为高档。,2）伺服进给类型 采用开环、步进电机进给系统为低档；中、高档则采用半闭环或闭环的直流伺服系统或交流伺服系统；3）联动轴数 低档数控机床轴数一般只到2轴；中、高档则为35轴。4）通信功能 低档数控一般无通信功能；,中档有RS232或DNC（DirectNumerical Control）接口；高档则有MAP（Manufacturing Automation Protrol）通信接口，具有联网功能。5）显示功能 低档数控一般只有简单的数码管显示或单CRT(Cathode Ray Tube)字符显示；中档数控具有较齐全的CRT显示，有字符，有图形、人机对话、状态和自诊断功能等。高档数控系统还可以有三维图形显示。,6）内装PLC（Programmable Logical Comgtroller）低档数控一般无内装PLC，而中、高档数控都有内装PLC。7）主CPU（Central Processing Unit）低档数控一般采用8bit CPU，中、高档已经逐步有16bit CPU向32bit CPU过度，国外一些新的数据系统甚至已选用了32bit CPU。根据以上的一些功能及指标，就可以将各种,类型的数控产品分为低、中、高档三类。在我国还有经济型数控这种提法。所谓经济型数控，一般均属低档数控，是指由单板机、单片机和步进电机组成的数控系统，以及其他功能简单、价格低的数控系统。它主要用于车床、线切割机床以及老机床改造等。,7.3.2 CK3225 数控车床7.3.2.1 概述 数控车床从总体来看，没脱离普通车床的结构形式。但由于数控车床具有较高的精度、刚度和自动化程度，因此，需要尽可能应用新技术，采用先进的结构，才能满足加工要求。特别是配备完善的自动点滴润滑系统，对数控车床来说很有必要。进给系统用伺服电机驱动，计算机控制，可使刀架的纵向（Z轴）和横向（X轴）的,运动轨迹能连续控制，从而完成对各类回转体零件内外表面的加工，如车削圆柱、圆、圆弧和各类螺纹等。由此看出，数控车床的进给系统和普通车床有本质的区别。它没有走刀架、溜板箱和挂轮架，而是由伺服电机通过滚珠丝杠直接带动刀架，使进给传统结构大为简化。,7.3.2.2 CK3225数控车床的 组成、主要功能与技术参数（1）数控车床的组成与主要功能 CK3225系列数控车床由床身、主轴箱、刀架、进给系统、冷却、润滑等部件和数控系统组成。CK3225系列数控车床分三个品种：CK3225、CK32251000和CKA3225。前面两种是以轴类件加工为主，最大加工长度为400和1000。而后一种是以盘类件加工为主。该系列三种机床,配备先进的数控系统和直流无级调速主电机，由直流伺服电机通过滚珠丝杠带动刀架纵横方向进给而组成两坐标连续控制车床。依靠数控系统的基本功能。可车削内、外圆柱和圆锥及各种圆弧表面，适用于形状复杂，精度高的轴类和盘类零件的加工，由于该机床精度高，刚性好，进给系统准确可靠，使之能适应高速强力切削，同时也能进行精加工，加工精度在纵向、横向均能保证在0.01以内。,该系列数控车床还能加工各类螺纹（米制、英制、锥螺制、端面螺纹、多线螺纹和变螺距螺纹），因为在主轴箱上安装有与主轴同步运转的脉冲编码器，由脉冲编码器发出的脉冲信号控制伺服电机进给，可使刀架实现每转进给量，这是螺纹切削应满足的必要条件。同时，在车削螺纹的过程中，为了防止乱扣，脉冲编码器发出进给脉冲时，还要发出同步脉冲（每转一个脉冲），以保证刀具每次走刀都在工件的同一点切入。总,之，与普通车床相比，数控车床有很大一部分功能是由电气系统实现的，简化了复杂的机械系统，随着机电一体化技术的飞速发展，将使数控车床更加完善。,（2）主要技术参数 三种型号机床技术参数见表7.1,表7.1 CK3225系列数控机床主要参数表,7.3.2.3 设计思想（1）数控车床对机床布局的要求 所谓机床布局，是根据工件的工艺分类所需运动及主要技术参数，而确定各部件的相对位置，并完成工件和刀具的相对运动，保证加工精度，方便操作调整和维修。无论采用哪种布局形式，都要求外型美观，并满足上述要求。由于现代数控车床一般均采用 全封闭式防护装置，因此机床外形的美观性显得特别重要，而机床的结,构，各部件的布局形式，将直接影响外形的美观性。可以说，机床的布局确定了，外观造型也就基本确定了，布局必须使整机结构紧凑，以节省占地面积和空间。（2）机床的结构布局 床身是机床的主要承载部件，是机床的主体。按床身导轨面与水平面是否平行，可分为平床身、斜床身和直立床身，见图7.19,图7.19 床身结构形式（a）平床身（b）斜床身（c）直立床身,一般来说，中小规格的数控车床采用斜床身居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身，直立床身采用较少。斜床身在现代数控车床中被广泛地应用，因为这种结构方式具有以下特点：1）容易实现机、电、液一体化。2）机床外形整齐、美观、占地面积小。3）容易实现封闭式防护装置。4）容易排屑和安装自动排屑装置。,5)从工件上切下的过热铁屑不易堆在导轨上，不致影响导轨精度。6)便于操作。7)便于安装机械手，实现单机自动化；本系列三种车床由于加工规格都是250，所以在设计时，应尽量考虑通用，以盘类件为主者可省略尾座。其它部分，如转塔刀架可能有所不同。,（3）床身结构的选择 鉴于斜床身有前述优点，CK3225系列机床均采用此种床身形式。而目前的斜床身按与地面相交角度，一般分为30、45、60、75等，其中30、45形式多为小型数控车床采用，75形式多为大型数控车床采用，而60形式则为大多数中等规格数控车床所采用。CK3225系列车床从规格上说，应属中等常用规格，故初步选择60斜床身形式。采用60斜床身与30、,45相比，占地面积小，便于排屑；与75斜床身比，当用同样的材料，相同的筋板布置形式时，60斜床身比75斜床身刚度可提高2530。另外，机床布局合理，长宽高比例适宜，故选择60床身结构是合适的。按标准选择导轨跨距为450。因下导轨靠近主轴线，故选用下导轨作为导向和主要支承导轨。为降低扭转力矩，保证加工精度，使纵向滚珠丝杠位置在上下两导轨之间，其中，,CK32251000型数控车床由于加工工件较长，采用镶钢导轨，材料为40Cr，淬火后用螺栓固定在床身上进行精密磨削加工。CK3225、CKA3225机床导轨与床身为一体，材料为HT200，经高频淬火后磨削加工。总之，床身向后倾斜与地面成60角，集中了斜床身与平床身的优点，为机床实现机电一体化的合理布局创造了条件，形成外形美观、结构合理、别具一格的形式。,床身形式确定了，就为整体布局创造了条件。按机床的基本要求，尤其考虑美观，便于维护维修和节省空间，对机床进行如下布局，以CKA3225数控车床为例，总体布局见图7.20，与之相应的机床外形见图7.21。,图7.20 总体布局,图7.21 CKA3225机床外观,7.3.3 CKA3225的关键部件与关键技术7.3.3.1 主传动系统（1）运动及动力参数的确定 数控车床的主传动系统一般采用直流或交流调速电机，通过带传动和主轴箱内的变速齿轮，带动主轴旋转。由于这种电机调速范围广，可无级调速，使得主轴箱结构大为简化。直流电机在额定转速时，可输出全部功率和最大转矩。在额定转速和最高转速之间，为调压调速、恒功率；,在额定转速以下，为恒转矩调速，功率随转速下降而线性降低。对于车床来说，由于主运动所需要的是恒功率调速，而恒转矩调速只有在转速很低时才使用，所以要使机床在大转速范围内实现恒功率切削，必须使主轴箱变档。可见对于主运动来说，最主要的是电动机的选择。由于本系统是通用而非专用性数控车床，所以在确定主参数时，应尽量满足25.mm规格内所有工件的切削余量。经调研，250mm规格内零件加工所需要,的功率绝大部分在（916）KW之间，转速在45200r/min，就无法满足要求，这时就需要3000r/min甚至更高。但是，目前的主轴箱结构很难超过3000r/min。所以把转速范围定在453000r/min。（2）主电动机的选择 由前所述，为使车削功率在（916）KW之间，根据电动机功率Pe=Pc/，（Pc为切削功率；为主传动系统的总功率），取=80%，,那么Pe=16/0.8=20KW，所以选择电动机功率要在20KW左右。根据这一数据，在电机样本中，可供选择的电动机见表7.2,表7.2电动机参数表,从功率方面看，22KW完全能满足要求，但从转速上来看，恒功率范围很窄。如果主轴箱采用二级变速，则两挡之间恒功率切削完全不是连续的，中间会有很大的缺口，而且缺口处功率很低，无法保证切削要求；如果采用30KW主电动机，则上面缺口处功率就可以升高，但这样会使电动机功率绝大部分没有充分利用；如果选用23.5KW主电动机，则可以避免两方面的缺点。,因此，本系列选用功率为23.5KW，额定转速为1350r/min，最高转速为3500r/min的直流调速电机。（3）主传动系统的设计 主轴箱传动系统见图7.22。该系列数控车床，由于采用了无级调速主电动机，因而大大简化了主传动系统的结构。主轴箱内只有2根传动轴和1根主轴以及三对齿轮，而其中的1根传动轴,（轴）和一对齿轮（80/80）还不起传递动力的作用。主轴箱一端经七根V带以125/223.5拖动主轴箱和轴，另一端带动测速发电机实现速度反馈。在主轴箱内，轴以28/86传动齿轮变速，使主轴获得45/637r/min的低速段，另经69/45齿轮变速使主轴获得212/3000r/min的高速段。此外，主轴经80/80齿轮传动，再经轴将信号传给主轴脉冲编码器，实现主轴速度反馈。,（4）主轴组件结构 由于该机床最大特点之一是转速高，所以如何选择主轴组件结构是设计成败的关键。本系列采用目前中等规格高速数控车床常用的典型组件结构，见图7.23,图7.22 主轴箱传动系统图 1脉冲编码起 2直流电机 3测速发电机,主轴的前后支承均采用角接触球轴承，前支承三个一组，背靠背安装，前两个轴向受力方向朝向主轴端面，承受正方向的轴向切削载荷，另一个方向的轴向载荷由前一轴承承受。轴承2和5内圈之间留有间隙，保证装配预紧后使轴承获得2600N的预紧力。两轴承之间内外隔套3和4隔开，加工时合磨，长度一致性允许不超过0.003mm。这种结构即可保证主轴前端部的轴向精度，又可使主轴的热膨胀向后，这是因为后支,承为两背靠背的角接触球轴承，接触角为15，其作用是共同担负后支撑径向载荷，轴承外圈轴向不固定。另外。轴承5外环与箱体孔为间隙配合，径向起辅助支承作用，载荷主要由轴承1和2承受，目的是减少发热。主轴的轴承均为C级精度，后轴承为D级精度。,（5）主轴箱的润滑 主轴箱的润滑采取两种方式兼用。对于主轴前支承，由于高速承载，故采用高级润滑脂润滑，迷宫式封闭。该润滑脂适合高速摩擦副的润滑，可保持10年，每个轴承只需轴承空间的1/3的润滑脂，其它支承及齿轮摩擦副均采用2#主轴油来强制润滑，由单独的主轴润滑箱供油，经分油器输送到各个润滑点。,7.3.3.2 进给系统（1）进给系统的特点及方式 数控车床进给系统是由伺服电机驱动，通过滚珠丝杠带动刀架完成纵向和横向的进给运动。由于伺服电机调速范围广，进给和车螺纹的范围也广，如配以FANUC-6T/B系统，一般进给量和车螺纹进给量范围为0.001500mm/r。快速移动和进给传动均为同一传动路线时，刀架的快速移动速度为1015m/min。由此看出，伺服电机有,较高的调整速度范围，能无级变速，同时还能实现准确定位，在进给和快移速度下停下。刀架的重复定位精度误差不超过0.01mm。,图7.23 主轴箱结构图1、2、5轴承 3外隔套 4内隔套 6液压缸端盖7支承壳体 8配油环 9液压缸通油轴 10端盖,进给系统的传动要求准确、无间隙（尽可能地消除间隙），因此伺服电机与丝杠的联接，丝杠与螺母的配合及支撑丝杠两端的轴承都要消除间隙。如果经调整后，仍有较小的间隙。可由控制系统通过补偿得以消除，但补偿的间隙最好不超过0.05mm，这主要是考虑间隙太小会影响加工精度，特别是镜象加工（对称切削），车削圆弧和锥面时，传动间隙对精度影响较大。此外，进,给系统还应具有传动的灵敏性和较高的传动效率。进给系统的传动方式有两种，一种是滚珠丝杠与伺服电机轴端用锥套联接，利用内外锥面之间产生的摩擦力，传递转矩和轴向力。另一种是滚珠丝杠通过同步齿形带同伺服电机联接。由于同步齿形带传动不精确，会影响传动精度，因此将脉冲编码器安装在滚珠丝杠上，以对其旋转状态随时进行检测。这种结构在安装伺服电机时，,轴端朝外，电机不向外伸，不影响机床的长度和高度尺寸，机床外形美观、安装维修都很方便。（2）进给系统的主要结构 CK3225系列三种机床进给系统结构形式相同，均由纵向进给和横向进给两部分组成。纵向进给系统结构如图7.24,图7.24 纵向进给结构图 1伺服电机 2弹性联轴器 3内锥环 4外锥环 5螺钉 6法兰环 7锁紧螺钉 8、11滚珠丝杠 10螺母,由图中可以看出，丝杠9固定在两个支架8和11上，伺服电机1通过弹性联轴器2将动力传给滚珠丝杠9、螺母10将滚珠丝杠的旋转运动转化为直线运动，带动滑鞍纵向（Z轴）移动。伺服电机、滚珠丝杠和弹性联轴器是通过锥环3和4无键连接的，3和4是相互配合的锥环，拧紧螺钉5，经法兰环6压紧锥环使内环3的内孔收缩，外环4的外圆涨大，靠摩擦力连接电机轴、滚珠丝杠和联轴器。锥环的对数根据所需传递的转矩选择。,这种结构可以不需开键槽，电机轴、滚珠丝杠与联轴器的角度位置可以任意调整，且无间隙。横向进给系统的结构与纵向相同。（3）伺服电机的选择 首先确定传动丝杠所需转矩。以X轴为例，由于本机床采用60斜床身，故X轴滑板是在水平面成60角的滑鞍导轨上移动。X轴丝杠的最大转矩，一方面可能由重切