数控机械设计实例.

8.1 KAM 装配机器人

8.1.2 装配机器人KAM的控制系统

3. 步进电动机及其控制器
1 2 3 4 5 6 7 8 PMM8713 16 15 14 13 12 11 10 9 UDD CO EM Φ1 Φ2 Φ3 Φ4 R +4V~+18V 输入脉冲监控 励磁监控 输出 输出 输出 输出 复位 3相 4相
该机器人结构简单，控制系统经济实用。虽然它 的某些结构和功能与现代先进数控机械相比，稍 显落后，但它的功能结构和控制原理具有数控代 表性，值得学习和参考。

8.1 KAM 装配机器人

8.1.1装配机器人KAM的机械结构
32
29
8.1 KAM 装配机器人

8.1.1 装配机器人KAM的机械结构
25－z方向直联齿轮； 26－z轴进给上支板； 27－z轴进给下支板； 28－爪部； 29－支座； 30－轴承盖； 31－轴承支架； 32－蜗轮； 33－中间齿轮； 34－θ方向直联齿轮； 35－θ方向电机安装台。




A为旋转坐标轴；
主轴控制采用变频器同机械变速机构配合，液压换档，分高速、低 速两档。

8.2 典型数控铣床的设计实例 8.2.2 数控铣床的控制系统设计

2. 数控系统总体框图
8.2 典型数控铣床的设计实例

8.2.2 数控铣床的 控制系统设计

3. 电源部分

8.2 典型数控铣床的设计实例 8.2.2 数控铣床的控制系统设计
8255-N0.1的电路图。
8.1 KAM 装配机器人

8.1.2 装配机器人KAM的控制系统

3. 步进电动机及其控制器
表8-1步进电机的规格 外径 58.4mm
全长
重量 转子惯量 最大静力矩 步矩角
82.5mm
1.1kg 240g.cm2 61N.m 1.8°/步 SL—回转特性 ST—启动特性 注：负载转动惯量0.22Kg.cm2 电源电压AC100V

2．数控铣床的伺服进给系统设计

4） 伺服电机的选择

8.2 典型数控铣床的设计实例 8.2.1 典型数控铣床的结构设计

2．数控铣床的伺服进给系统设计

4） 伺服电机的选择

8.2 典型数控铣床的设计实例 8.2.2 数控铣床的控制系统设计

数控系统是数控铣床的核心。在国内外有很多规格不同、性能指标 各异的数控系统，数控铣床可根据功能和性能要求，配置不同的数 控系统。在国内，广泛使用的一些国外知名品牌的数控系统稳定性 好、可靠性高，得到了国内众多企业的普遍认可。 国内数控的代表产品之一华中数控，采用了以工业PC机为硬件平台， DOS、Windows及其丰富的支持软件为软件平台的技术路线，其主控 系统具有质量好、性能价格比高、便于二次开发和集成等许多优点。 本实例数控铣床采用了华中HNC－21M数控装置



8.2 典型数控铣床的设计实例 8.2.2 数控铣床的控制系统设计

1. 数控系统总体设计

数控装置HNC－21M采用开放式体系结构，内置嵌入式工业PC机， 高性能32位中央处理器，配置彩色液晶显示屏和标准机床面板，进 给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口、远程I/O板 接口集成于一体；最大联动轴数为4轴，可选配各种类型的脉冲式、 模拟式交流伺服驱动器。 将本实例的三坐标数控铣床，增加一个回转的A坐标，即增加一个数 控分度头或数控回转工作台，用以满足某些特殊要求，这时铣床应 相应地配制成四坐标控制系统。 X、Y、Z为直线坐标轴，
数控机床的主运动要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用 合理的切屑用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。数 控机床通常在交流电机无级变速的基础上配以齿轮变速。
主传动系统主要有三种配置方式
（1）串联分级变速机构的主传动系统 （2）通过皮带传动的主传动 （3）调速电机直接驱动的主传动
8.2 典型数控铣床的设计实例
（b）分级变速机构的级数Z的选择应根据设计数控机床的具体要求确 定。通常Z＝3时，若＝3 时，分级变速机构的恒功率区变速范围可 扩大到9左右，主轴转速连续。
（c）选择电机功率时，在满足机床要求的前提下，若无特殊要求，就 不必选择较大功率的电机，以免造成浪费。
8.2 典型数控铣床的设计实例

8.2.1 典型数控铣床的结构设计
START TEST
0－RETURN
00－RETURN RETURN
I=D？
Yes RETURN
图8-9 RUN方式的流程
8-10 CALCULATE PULSE 子程序流程图
8.2 典型数控铣床的设计实例

本节将以一台中档的三坐标立式数控铣床为 例，来讲述数控铣床的基本设计方法，重点 介绍常用装置和系统的工作原理和设计要求。

8.2.1 典型数控铣床的结构设计

1．数控铣床的主传动系统设计

2） 串联分级变速机构的主传动系统设计
8.2 典型数控铣床的设计实例

8.2.1 典型数控铣床的结构设计

1．数控铣床的主传动系统设计

2） 串联分级变速机构的主传动系统设计
设计实例（见教材）
结论：
（a）带有分级变速机构的变速范围取决于交流调速电机恒功率调速范 围和级数Z。当电机确定后，要使主轴转速连续的条件是级数比， 否则，主轴转速不连续，产生功率缺口。

8.2.1 典型数控铣床的结构设计

2．数控铣床的伺服进给系统设计

2） 滚珠丝杠的选择
8.2 典型数控铣床的设计实例

8.2.1 典型数控铣床的结构设计

2．数控铣床的伺服进给系统设计

2） 滚珠丝杠的选择

8.2 典型数控铣床的设计实例 8.2.1 典型数控铣床的结构设计

2．数控铣床的伺服进给系统设计

控制计算机：NEC PC－8001型微机，将直角坐标数据输入NEC PC 8001后，转换成每个方向的脉冲数，并通过I/O接口送出脉冲给步进电 机控制器，驱动步进电机，使KAM动作。

C语言程序：坐标的输入、坐标的转换、脉冲数及其频率的计算等。 汇编语言程序：要求高速处理的三轴同时控制和加速控制等。 数据保存：盒式磁带收录机； I/O接口：用于NEC PC－8001与步进电机控制器的通讯。
输入脉冲UP时钟 CU 输入脉冲DOWN时钟 CD 输入脉冲时钟 CK 回转方向切换 U/D 0—DOWN，1—UP EA 励磁方式切换 EB 3、4相切换 ΦC 地 Uss
图8-6 PMM8713引脚图
8.1 KAM 装配机器人

8.1.2 装配机器人KAM的控制系统

3. 步进电动机及其控制器
8.2 典型数控铣床的设计实例

8.2.1 典型数控铣床的结构设计

外形图
8.2 典型数控铣床的设计实例

8.2.1 典型数控铣床的结构设计

1．数控铣床的主传动系统设计

1）主传动系统变速方式
数控铣床的主传动逐步被交流变频无级调速主轴电机代替。使数 控机床主传动实现了无级调速，解决了直流电机长期运转产生整流火 花和电刷磨损的难题。

8.2.1 典型数控铣床的结构设计

1．数控铣床的主传动系统设计

2） 串联分级变速机构的主传动系统设计
分级变速机构级数Z主要取决于主轴要求的恒功率变速范围、 电机的恒功率变速范围和分级变速机构的变速范围，同时还和 机构的复杂程度和主轴是否允许有功率缺口有关，常用的级数 Z＝2、3、4。
8.2 典型数控铣床的设计实例

2．数控铣床的伺服进给系统设计
数控铣床对进给系统的要求集中在精度、稳定性和快 速响应三个方面。

1） 传动系统设计
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
伺服电机一般最高转速为1500r/min 或2000r/min。 如果伺服电机通过联轴器与丝杠直接连接。
即
i＝1
8.2 典型数控铣床的设计实例

8.2.1 典型数控铣床的结构设计

2．数控铣床的伺服进给系统设计
13－挡块； 1－z方向导轨盖； 14－z方向进给丝杠支座； 2－z方向导轨档环； 15－导轨支座； 3－z方向导轨挡板； 16－蜗轮； 4－r方向电机安装台； 17－轴承压挡； 18－支座的齿轮座； 5－减速装置齿轮； 19－装配底板； 6－r方向直联齿轮； 20－支座轴； 7－r方向导轨； 21－z轴进给支座装配圆 8－r方向进给滚珠丝杠； 板； 9－z方向进给支柱； 22－隔离环； 10－z方向导轨； 23－轴承压环； 11－传动箱； 24－z方向进给齿轮； 12－轴承盖；

4. 继电器部分

8.2 典型数控铣床的设计实例 8.2.2 数控铣床的控制系统设计

5. 输入／输出开关量

8.2 典型数控铣床的设计实例 8.2.2 数控铣床的控制系统设计

5. 输入／输出开关量

8.2 典型数控铣床的设计实例 8.2.2 数控铣床的控制系统设计

6. 主轴单元接线图
8.2 典型数控铣床的设计实例

2） 滚珠丝杠的选择

8.2 典型数控铣床的设计实例 8.2.1 典型数控铣床的结构设计

2．数控铣床的伺服进给系统设计

2） 滚珠丝杠的选择

8.2 典型数控铣床的设计实例 8.2.1 典型数控铣床的结构设计

2．数控铣床的伺服进给系统设计

3）. 滚珠丝杠的支承选择

8.2 典型数控铣床的设计实例 8.2.1 典型数控铣床的结构设计
1-2SL
8.1 KAM 装配机器人

8.1.2 装配机器人KAM的控制系统

3. 步进电动机及其控制器

驱动控制：采用专用芯片 PMM8713进行步进电机 的驱动控制。该器件采用 DIP16封装，适用于二相 或四相步进电机。

两种脉冲输入法：
双脉冲输入法 单脉冲输入法 双脉冲输入法 单脉冲输入法
8.1 KAM 装配机器人

8.1.2 装配机器人KAM的控制系统

2. I/O接口
• 控制系统中采用了两个 8255芯片， • 地址总线A0和A1与8255 直接相连。 • 8255是可编程I/O口扩展 芯片。 内部有三个端口，每 个端口有8位。工作模式由 程序设定，可根据程序指令 进行数据的输入/输出、状 态信号的输入和控制信号的 输出等操作。

1） 传动系统设计
8.2 典型数控铣床的设计实例

8.2.1 典型数控铣床的结构设计

2．数控铣床的伺服进给系统设计

1） 传动系统设计
8.2 典型数控铣床的设计实例

8.2.1 典型数控铣床的结构设计

2．数控铣床的伺服进给系统设计

1） 传动系统设计（两种方案的传动系统图 ）
8.2 典型数控铣床的设计实例
• 步进电机的驱动电路 • PMM8713在控制二相或四 相步进电机时都可选择三种励 磁方式（1相励磁、2相励磁、 1～2相励磁），每相最小的拉 电流和灌电流为20mA。 • 在KAM中，对步进电机采 用1～2相励磁方式，每个脉冲 的回转角为0.9。，电机1转共 需400个脉冲。
8.1 KAM 装配机器人
第8章 数控机械设计实例

本章通过具体的设计实例对前面所学知识进 行综合的概括和应用。 本章主要介绍两个典型的设计实例，力求从 实例出发，阐述数控机械的设计方法。 1、装配机器人

2、典型数控铣床的设计
8.1 KAM 装配机器人

本节介绍日本九州工业大学研制的装配机器人 KAM的机械结构及其控制系统。
8.1 KAM 装配机器人

8.1.2 装配机器人KAM的控制系统

1. 系统概况
显示器
磁带机 打印机 NEC PC-8001 I/O接口 8255 步进电机 控制器
KAM
图 8－2 KAM的控制系统框图
8.1 KAM 装配机器人

8.1.2 装配机器人KAM的控制系统

1. 系统概况
开环步进电机控制系统：在 z 、r、θ三个方向各有一个步进电机，而 每个步进电机分别配备一个控制器。

8.1.2 装配机器人KAM的控制系统

4. KAM的控制程序
开始 设定尺寸 控制字 USR函数 模式显示 输入模式
选择方式
0—ADJ
DATA
EDIT
SAVE
LOAD
RUN
8.1 KAM 装配机器人

8.1.2 装配机器人KAM的控制系统

4. KAM的控制程序
开始 设置绝对坐标 AX＝0，AY＝0，AZ＝0 Calculate Pulse 方式选择 开始 绝对坐标的计算 FOR I=1 TO D 坐标变换 脉冲数、脉冲数之和 回转方向、脉冲周期 RETURN No

8.2.2 数控铣床的 控制系统设计

7. 伺服单元接线图
配置了与华中数控生 产的HSV－11系列交流伺 服驱动装置连接的专用串 行进给驱动接口，连接方 便，抗干扰能力强，无漂 移。