机电一体化系统设计第8章.ppt
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1、1,机电一体化系统设计,第八章 典型机电一体化系统设计简介,8.1 计算机数控机床 8.2 工业机器人 8.3 汽车的机电一体化概况 8.4 三坐标测量机 8.5 自动售票机 8.6 自动售货机 8.7 电子称 8.8 电子灶烹调自动化,2,机电一体化系统设计,8.1计算机数控机床,8.1.1 机械加工中心(MC),一、基本构成 靠机、电技术的相互促进,得到了很大发展,通常由以下几部分组成: 数控x、y、z三个移动装置; 能够进行工件多面加工的回转工作台; 自动换刀装置(ATC); CNC控制器。,3,机电一体化系统设计,二、机床的机械装置,4,机电一体化系统设计,床身、工作台、立柱:床身上装
2、有两个正交导轨,实现工作台的x轴运动和立柱的y轴运动。立柱上设有主轴头上、下(z轴)运动的导轨,来实现z轴运动。各轴都通过与伺服电机直接连接的大直径滚珠丝杠驱动,以实现高精度定位。 回转工作台:安装工件用回转工作台,由电动机驱动进行粗定位,并通过具有72个齿的端齿分度装置进行精密定位。 主轴头:通过26kw/22kw的交流伺服电机实现203600r/min之间的无极调速驱动。主轴轴承使用了具有高刚性和高速性的双列向心球轴承和复合圆椎滚子止推轴承,并使用控制温度的润滑油进行强制循环来抑制变形。,5,机电一体化系统设计,(4) 自动换刀装置(ATC):由存放48、64把刀库和换刀机械手组成。 (5
3、) 随行夹具更换装置:随行夹具存放处一般可存放610个随行夹具,以实现长时间地无人化加工。 (6) 立式加工设备:由垂直刀架和垂直加工用刀具及输送装置组成。垂直刀架由垂直输送装置搬进并安装到主轴上。,6,机电一体化系统设计,三、数控(CNC)系统 以顺序控制为主,实现接触式传感功能、管理功能、自适应功能,利用工具码选择工具,利用速度码选择主轴转速,以及回转工作台的分度控制等。,控制系统框图,人机对话型CNC系统框图,7,机电一体化系统设计,1、接触式传感器功能 自动定心功能:以主轴中心孔为基准,实现工具的自动定心。 刀具折损检测功能:采用在切削进给中预先设定的刀具与工件未接触的范围内进行检测的
4、方式。,自动定心刀具和定心功能,工具折损检测功能,8,机电一体化系统设计,缩短空接时间功能:在切削进给行程范围内,以指定空切范围内以进给速度的两倍的速度自动空切送进,当检测到工具与工件接触时,开始用正常进给速度进给,从而缩短空切时间。 x、y、z轴基准面校正功能:可自动检测并求出主轴位置与基准面之间的关系,并以其实际位置为加工基准,连续自动运转。,缩小空切时间功能,基准面校正功能,9,机电一体化系统设计,自动检测校正系统:利用接触式传感技术,自动检测孔径大小,并以该结果自动调整刀具,以确保加工尺寸的自动校正 二、管理功能 刀具的寿命管理 备用刀具的自动更换功能 监测功能和故障诊断功能 三、自适
5、应控制(AC)功能 通过为各轴进给电动机和主轴电动机设置检测器,检测加工过程中的负载变化情况,如负载突然减小到规定范围以下,可自动加快进给速度,如负载突然增大到超出设定范围,可自动降低进给速度。,10,机电一体化系统设计,8.1.2 BKXI型变轴数控机床,机床的结构模型,11,机电一体化系统设计,单伸缩杆硬件系统示意图,12,机电一体化系统设计,一、BKXI的机构原理及其坐标位置 主要由三部分组成:支架顶部的静平台、装有电主轴的动平台和六根可伸缩的伺服杆。 机床整体结构自封闭,具有较高的刚性。部件设计模块化,易于异地重新安装。,机床的坐标设置,13,机电一体化系统设计,(i=1, 3, 5)
6、,(i=2, 4, 6),静平台各绞链中心点的绝对坐标,14,机电一体化系统设计,二、位置分析与姿态描述 求解机构的输入和输出之间的位置关系,包括位置正解和位置逆解。,基本旋转矩阵,15,机电一体化系统设计,三、刀具位姿到平台位姿的转化,动平台中心与刀尖的关系:,16,机电一体化系统设计,17,机电一体化系统设计,四、位置逆解 杆长矢量可表示为:,18,机电一体化系统设计,五、BKXI型机床数控(CNC)系统原理,19,机电一体化系统设计,20,机电一体化系统设计,1、硬件平台,21,机电一体化系统设计,2、软件平台 3、加工实例,22,机电一体化系统设计,8.1.3 PRS-XY型混联数控机
7、床,一、结构分析 串、并联混合结构,有效克服了纯并联机床在加工范围上的限制。,23,机电一体化系统设计,二、PRS并联机构逆运动学分析,A1、A2、A3在O-XYZ坐标系下的坐标,B1、B2、B3在O-XYZ坐标系下的坐标,24,机电一体化系统设计,三个转动副轴线的单位方向矢量为:,C1、C2、C3在O1-X1Y1Z1坐标系下的坐标,动坐标系O1-X1Y1Z1对定坐标系O-XYZ的齐次变换矩阵为,25,机电一体化系统设计,9个元素间存在6个约束方程,C1、C2、C3的绝对坐标,(1)平面约束方程 (2)定长约束方程,26,机电一体化系统设计,联立约束方程,(3)用刀具轴线的方向弦角来表示欧拉角
8、 用欧拉角表示动平台姿势的旋转矩阵,27,机电一体化系统设计,28,机电一体化系统设计,(4)用刀尖坐标表示动平台中心坐标,刀尖位置 和刀轴的方向矢量 之间的关系: 由此可表示出:,29,机电一体化系统设计,三、X-Y工作台的逆运动分析,刀尖点在O-XYZ中的X、Y方向的坐标,30,机电一体化系统设计,四、PRS-XY数控系统的综合逆运动学变换 逆运动学变换可统一表示为: 引入PRS-XY型混联机床A、B轴定义: A轴饶X轴旋转,B轴绕Y轴旋转,旋转正方向符合右手螺旋规则;刀杆与Z轴平行的位置定义为初始位置,A、B轴转角为零;B轴为主动轴,A轴附加在B轴上 基于虚轴坐标的逆运动学公式:,31,
9、机电一体化系统设计,五、基于“PCTurbo PMAC”的数控系统工作原理 美国Delta Tau 公司在PMAC的基础上推出的基于工业PC和Windows操作系统的开放式多轴运动控制器。,在并联机床控制中,只要将机构的运动学程序嵌入到 Turbo PMAC控制器中,Turbo PMAC就可以根据刀尖运动轨 迹自动按照给定的运动学算法计算出关节坐标轴运动的相应位置,32,机电一体化系统设计,六、PRS-XY数控系统设计,33,机电一体化系统设计,控制系统下位机软件,34,机电一体化系统设计,控制系统上位机软件模块,35,机电一体化系统设计,七、机床的主要参数和样件加工 工作台参数;行程参数;主
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