1、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。,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M5脱开，使主运动与进给运动分离；,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
2、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L0=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/ste
3、p，工件进给速度v=60mm/min，快速进给速度取为vs=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,Dmax-车床床身上加工最大直径（mm）按比例分别求出分力Fx和Fy ：,FZ-主切削力 Fx-走刀方向的切削分力（N） Fy-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：,式中： Fz-主切削力（N） d-工件直径（m），可采用在床鞍上加工的最 大直
4、径按比例分别求出分力Fx和Fy,式中：Mn-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Fm,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： Fx-进给方向的切削分力（N） Fz-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,选择基本导程L0=4、6、8的滚珠丝杠 要求所选丝杠的额定动载荷CaC,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
5、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：,（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,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,空载起动时折算到电机轴上的加速力矩
6、Mamax,式中：,摩擦力矩 Mf,其中： F0-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 M0,式中： Fp0-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00.9,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Mjmax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,3）验算电机,转矩与惯量的匹配要求的验算TL/Tmax0.5 及JL/Jm4,
