第六章机电一体化系统实例 机电一体化系统设计课件

电主轴
五、数控机床进给传动系统
1. 对数控机床进给系统的要求
1）摩擦阻力要小 广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导轨和静压导轨。 2）传动刚度要高 3）转动惯量要小 4）谐振频率要高 5）传动间隙要小
五、数控机床进给传动系统
滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副
螺母 丝杠
伺服进给系统
电机 支承
工作台
床身 直线电机
1、数控车床的机械结构
2、数控铣床的机械结构
三、数控机床的机械结构（机械本体）
3、加工中心的机械结构
三、数控机床的机械结构（机械本体）
4. 数控机床机械结构特点
1）静刚度和动刚度高 合理选择构件的结构形式，如基础件采用封闭的完
整箱体结构；合理选择及布局隔板和筋条，尽量减小接 合面，提高部件间接触刚度等；合理进行结构布局；采 取补偿构件变形的结构措施。 2）抗振性高
带的结构形式 (a)多楔带;(b)同步齿形带
四、数控机床的主传动系统
2. 数控机床主轴的变速方式
同步齿形带传动是一种综合了带传动和链传动优点的新 型传动方式，带型有梯形齿和圆弧齿。
同步齿形带的结构和传动
同步齿形带传动
四、数控机床的主传动系统
2. 数控机床主轴的变速方式
3） 高速时，由一个电机通过带传动；低速时，由另一个电 机通过齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，使 恒功率区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不够且 电机功率不能充分利用的问题。
接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控 制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作
接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理 后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。
一、数控技术与数控机床
机床
机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部 件。
组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖 板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等） 以及特殊装置（刀具自动交换系统 工件自动交换系 统）和辅助装置（如排屑装置等）。
六、常见数控系统
SIEMENS
FANUC
华中HNC
第二节 工业机器人
2.1 机器人的由来与发展
机器人一词的出现：1920年，捷克剧作家卡雷尔·查培克的 幻想剧《罗萨姆的万能机器人 》（《Rossum’s Universal Robots》）中的人造劳动者取名为Robota，捷克语的意思是 “苦力”、“奴隶” ，音译为“罗伯特”。
使整个系统有条不紊地进行工作的。CNC装置是CNC系 统的核心
一、数控技术与数控机床
伺服单元、驱动装置和测量装置 伺服单元和驱动装置 主轴伺服驱动装置和主轴电机 进给伺服驱动装置和进给电机 测量装置 位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。 作用 保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令： 进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置 控制）。 主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）
一、数控技术与数控机床
PLC、机床I/O电路和装置
PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成与逻 辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；
机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件(由继电器、 电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；
功能：
小说在1924年和1927年的时候被纷纷传到了日本、法国和欧 洲国家，捷克语“Robota”被英语写成了“Robot”，机器人 这个名词就向全世界铺展开来。
机器人的历史起源：我国西周时代（公元前1066年－公元前771年），有 巧匠偃师献给周穆王一个歌舞机器人（艺伎）的故事。
我国东汉时期（公元25－220年），张衡发明的指南车是世界上最早的机 器人雏形。
输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。 交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录 在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调 试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相 应的控制介质上。
数控机床常用的控制介质和输入输出设备见表1：
一、数控技术与数控机床
表1 控制介质和输入输出设备表
半闭环数控系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装 置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检 测，不是直接检测运动部件的实际位置。
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际位 置反馈
实际速 度反馈
检测与反馈单元
Fra Baidu bibliotek
机械执行部件 电机
一、数控技术与数控机床
CNC装置(CNC单元)
组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口 板、特殊功能模块以及相应的控制软件。
作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动 轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到 相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这 些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，
(a)齿轮变速；(b)带传动；(c)两个电机分别驱动；(d)调速电机直接驱动
变速齿轮传动
4四.、3.数2 控数机控床机的床主传轴动的系变统速方式
2. 数控机床主轴的变速方式
2） 主要用在转速较高、变速范围不大的小型数控机床上。 可以避免由齿轮传动所引起的振动和噪声。适用于高速 低转矩特性的主轴，常用有多楔带和同步齿形带。
二、 数控机床的分类
全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接 对运动部件的实际位置进行检测。
CNC 插补 指令
位置控制单元 + -
位置控制调节器
速度控制单元
+
-
速度控制 调节与驱动
实际位 置反馈
实际速 度反馈
检测与反馈单元
机械执行部件 电机
三、数控机床的机械结构（机械本体）
第六章 机电一体化系统实例
第一节 数控机床
一、数控技术与数控机床
数控机床（Numerical Control Machine Tools） 是采用数控技术对机床的加工过程进行自动控制 的一类机床。它是数控技术典型应用的例子。
数控系统（Numerical Control System）实现数 字控制的装置。
二、 数控机床的分类
轮廓控制数控系统
轮廓控制(连续控制)系统：具有控制几个进给轴同时谐调 运动(坐标联动)，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和 速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。
适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲 线和曲面的机床。现代的数控机床基本上都是装备的这种 数控系统。
二、 数控机床的分类
按工艺用途分类
切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、 数控齿轮加工机床、FMC等。
成型加工类：数控折弯机、数控弯管机等。 特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。 其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。
二、 数控机床的分类
按控制功能分类 点位控制数控系统 仅能实现刀具相对于工件从一 点到另一点的精确定位运动； 对轨迹不作控制要求； 运动过程中不进行任何加工。 适用范围：数控钻床、数控镗 床、数控冲床和数控测量机。
完成工件上更多内容的加工。
5. 数控机床布局特点 3）不同布局有不同的机床结构性能
数控卧式镗铣床中， （a）、（b）为T形床身布局， 工作台支承于床身，刚度好， 工作台承载能力强；(c)、(d) 工作台为十字形布局，（c） 主轴箱悬挂于单立柱一侧，使 立柱受偏载，(d)主轴箱装在 框式立柱中间，对称布局，受 力后变形小，有利于提高加工 精度。
2）具有较高的精度与刚度，传递平稳，噪声低 3）良好的抗振性和热稳定性。 4）在车削中心上，要求主轴具有C轴控制功能。 5）在加工中心上，要求主轴具有高精度的准停功能。 6）具有恒线速度切削控制功能。
四、数控机床的主传动系统
2. 数控机床主轴的变速方式
1)带有变速齿轮的主轴传动 大中型数控机床较常采用的配置方式，确保低速时有较 大的扭矩，滑移齿轮的移位大多采用液压拨叉或直接由液 压缸驱动齿轮来实现。
机床 主进辅 运 动 机给 传 动 机助 控 制 机 构构构
第一节 数控技术与数控机床
操作面板
它是操作人员与数控装置进 行信息交流的工具。
组成：按钮站、状态灯、按 键阵列（功能与计算机键盘 一样）和显示器；。
它是数控机床特有部件。
一、数控技术与数控机床
控制介质与输入输出设备
控制介质是记录零件加工程序的媒介
日本，1662年竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶。 法国，1738年天才技师杰克*戴*瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，
会游泳。 瑞士，公元1768-1774年间钟表匠德罗斯父子三人合作制造出三个像真人
一样大小的机器人——写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人。 真正的工业机器人出现于1950年前后。1959年第一台工业机器人在美国
控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为
全闭环和半闭环两种。
二、 数控机床的分类
开环数控系统 没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进 给系统），故系统稳定性好。
CNC 插补指令
A相、B
脉冲频率f 脉冲个数n
换算
f、n
脉冲环 形分配
变换
相
功率
放大
C相、…
机械执行部件
电机
二、 数控机床的分类
三、数控机床的机械结构（机械本体）
立柱结构 筋条结构
三、数控机床的机械结构（机械本体）
4. 数控机床机械结构特点
3）灵敏度高 4）热变形小 在数控机床结构布局设计中可考虑尽量采用对称结
构（如对称立柱等），进行强制冷却（如采用空冷 机），使排屑通道对称布置等措施。 5）自动化程度高，操作方便
5. 数控机床布局特点 1）不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量
计算机数控系统（Computer Numerical Control CNC ）以计算机为核心的数控系统。
一、数控技术与数控机床
数控系统与数控机床的组成
计算机数控系统
机床I/O 电路和装置
操作面板 PLC 主轴伺服单元 主轴驱动装置
键盘
输入输出 设备
计算机 数控 装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
5. 数控机床布局特点 4）不同布局影响机床操作方便程度
数控车床的四种不同布局方案，（a）为水平床身-水平 滑板，床身工艺性好，便于导轨面的加工，下部空间小，故排 屑困难，刀架水平放置加大了机床宽度方向的结构尺寸；
水平床身
倾斜床身
垂直床身
四、数控机床的主传动系统
1. 数控机床主传动的特点
1）具有更大的调速范围并实现无级调速。一般要求主 轴具备1∶（100～1000）的恒转矩调速范围和1∶10 的恒功率调速范围。
二、 数控机床的分类
按联动轴数分，
2轴联动（平面曲线） 3轴联动（空间曲面，球头刀） 4轴联动（空间曲面） 5轴联动及6轴联动（空间曲面） 。
联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。
二、 数控机床的分类
按进给伺服系统的类型分类
按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置
可分为开环数控系统和闭环数控系统，在闭环数
数控铣床四种布局 方案适应的工件重量、 尺寸却不同。（a）适 应较轻工件，（b）适 应较大尺寸工件，（c） 适应较重工件，（d） 适应更重更大工件。
立式数控铣床
卧式数控铣床
龙门数控铣床
5. 数控机床布局特点 2）不同布局有不同的运动分配及工艺范围
数控镗铣床的三种布局 方案中，（a）主轴立式布 置，上下运动，对工件顶面 进行加工；（b）主轴卧式 布置，加工工作台上分度工 作台的配合，可加工工件多 个侧面；（c）在（b）基础 上再增加一个数控转台，可
控制介质
输入设备
输出设备
穿孔纸带
纸带阅读机
纸带穿孔机
磁带 磁盘
磁带机或录音机 磁盘驱动器
一、数控技术与数控机床
通讯 现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外， 一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现 CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式 有： 串行通讯（RS-232等串口）、 自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等） 网络技术（internet，LAN等）。
四、数控机床的主传动系统
2. 数控机床主轴的变速方式
4 大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的 刚度，但主轴输出的扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。
直接驱动式
4 大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴 输出的扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。
主轴电机直接驱动