第8章數控機械設計實例本章通過具體的設計實例對前面所學知識進行綜合的概括和應用。本章主要介紹兩個典型的設計實例，力求從實例出發，闡述數控機械的設計方法。

1、裝配機器人

2、典型數控銑床的設計8.1KAM裝配機器人本節介紹日本九州工業大學研制的裝配機器人KAM的機械結構及其控制系統。該機器人結構簡單，控制系統經濟實用。雖然它的某些結構和功能與現代先進數控機械相比，稍顯落后，但它的功能結構和控制原理具有數控代表性，值得學習和參考。8.1KAM裝配機器人8.1.1裝配機器人KAM的機械結構29328.1KAM裝配機器人1－z方向導軌蓋；2－z方向導軌檔環；3－z方向導軌擋板；4－r方向電機安裝臺；5－減速裝置齒輪；6－r方向直聯齒輪；7－r方向導軌；8－r方向進給滾珠絲杠；9－z方向進給支柱；10－z方向導軌；11－傳動箱；12－軸承蓋；13－擋塊；14－z方向進給絲杠支座；15－導軌支座；16－蝸輪；17－軸承壓擋；18－支座的齒輪座；19－裝配底板；20－支座軸；21－z軸進給支座裝配圓板；22－隔離環；23－軸承壓環；24－z方向進給齒輪；25－z方向直聯齒輪；26－z軸進給上支板；27－z軸進給下支板；28－爪部；29－支座；30－軸承蓋；31－軸承支架；32－蝸輪；33－中間齒輪；34－θ方向直聯齒輪；35－θ方向電機安裝臺。8.1.1裝配機器人KAM的機械結構8.1KAM裝配機器人8.1.2裝配機器人KAM的控制系統

1.系統概況圖8－2KAM的控制系統框圖打印機顯示器I/O接口8255步進電機控制器KAMNECPC-8001磁帶機8.1KAM裝配機器人8.1.2裝配機器人KAM的控制系統

1.系統概況開環步進電機控制系統：在z、r、θ三個方向各有一個步進電機，而每個步進電機分別配備一個控制器。

控制計算機：NECPC－8001型微機，將直角坐標數據輸入NECPC8001后，轉換成每個方向的脈沖數，并通過I/O接口送出脈沖給步進電機控制器，驅動步進電機，使KAM動作。C語言程序：坐標的輸入、坐標的轉換、脈沖數及其頻率的計算等。匯編語言程序：要求高速處理的三軸同時控制和加速控制等。數據保存：盒式磁帶收錄機；I/O接口：用于NECPC－8001與步進電機控制器的通訊。8.1KAM裝配機器人8.1.2裝配機器人KAM的控制系統

2.I/O接口

控制系統中采用了兩個8255芯片，地址總線A0和A1與8255直接相連。

8255是可編程I/O口擴展芯片。內部有三個端口，每個端口有8位。工作模式由程序設定，可根據程序指令進行數據的輸入/輸出、狀態信號的輸入和控制信號的輸出等操作。8255-N0.1的電路圖。8.1KAM裝配機器人8.1.2裝配機器人KAM的控制系統

3.步進電動機及其控制器SL—回轉特性ST—啟動特性注：負載轉動慣量0.22Kg.cm2

電源電壓AC100V1-2SL表8-1步進電機的規格外徑58.4mm全長82.5mm重量1.1kg轉子慣量240g.cm2最大靜力矩61N.m步矩角1.8°/步8.1KAM裝配機器人8.1.2裝配機器人KAM的控制系統

3.步進電動機及其控制器

驅動控制：采用專用芯片PMM8713進行步進電機的驅動控制。該器件采用DIP16封裝，適用于二相或四相步進電機。兩種脈沖輸入法：雙脈沖輸入法單脈沖輸入法雙脈沖輸入法單脈沖輸入法8.1KAM裝配機器人8.1.2裝配機器人KAM的控制系統

3.步進電動機及其控制器

圖8-6PMM8713引腳圖PMM871312345678161514131211109輸入脈沖UP時鐘輸入脈沖DOWN時鐘輸入脈沖時鐘回轉方向切換0—DOWN，1—UPEA勵磁方式切換EB3、4相切換地CUCDCKU/DΦCUssUDDCOEMRΦ1Φ2Φ3Φ4+4V~+18V輸入脈沖監控勵磁監控輸出輸出輸出輸出復位3相4相8.1.2裝配機器人KAM的控制系統

3.步進電動機及其控制器

8.1KAM裝配機器人

步進電機的驅動電路

PMM8713在控制二相或四相步進電機時都可選擇三種勵磁方式（1相勵磁、2相勵磁、1～2相勵磁），每相最小的拉電流和灌電流為20mA。在KAM中，對步進電機采用1～2相勵磁方式，每個脈沖的回轉角為0.9。，電機1轉共需400個脈沖。8.1KAM裝配機器人8.1.2裝配機器人KAM的控制系統

4.KAM的控制程序開始設定尺寸控制字USR函數模式顯示輸入模式0—ADJDATAEDITSAVELOADRUN選擇方式8.1KAM裝配機器人8.1.2裝配機器人KAM的控制系統

4.KAM的控制程序

圖8-9RUN方式的流程設置絕對坐標AX＝0，AY＝0，AZ＝0CalculatePulseSTARTRETURN開始0－RETURNTEST00－RETURNRETURN方式選擇開始絕對坐標的計算FORI=1TOD坐標變換脈沖數、脈沖數之和回轉方向、脈沖周期RETURN8-10CALCULATEPULSE子程序流程圖I=D？NoYes8.2典型數控銑床的設計實例本節將以一臺中檔的三坐標立式數控銑床為例，來講述數控銑床的基本設計方法，重點介紹常用裝置和系統的工作原理和設計要求。8.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計外形圖8.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計1．數控銑床的主傳動系統設計1）主傳動系統變速方式

數控銑床的主傳動逐步被交流變頻無級調速主軸電機代替。使數控機床主傳動實現了無級調速，解決了直流電機長期運轉產生整流火花和電刷磨損的難題。數控機床的主運動要求有較大的調速范圍，以保證加工時能選用合理的切屑用量，從而獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量。數控機床通常在交流電機無級變速的基礎上配以齒輪變速。

主傳動系統主要有三種配置方式（1）串聯分級變速機構的主傳動系統（2）通過皮帶傳動的主傳動（3）調速電機直接驅動的主傳動8.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計1．數控銑床的主傳動系統設計

2）串聯分級變速機構的主傳動系統設計分級變速機構級數Z主要取決于主軸要求的恒功率變速范圍、電機的恒功率變速范圍和分級變速機構的變速范圍，同時還和機構的復雜程度和主軸是否允許有功率缺口有關，常用的級數Z＝2、3、4。8.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計1．數控銑床的主傳動系統設計2）串聯分級變速機構的主傳動系統設計8.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計1．數控銑床的主傳動系統設計2）串聯分級變速機構的主傳動系統設計設計實例（見教材）結論：（a）帶有分級變速機構的變速范圍取決于交流調速電機恒功率調速范圍和級數Z。當電機確定后，要使主軸轉速連續的條件是級數比，否則，主軸轉速不連續，產生功率缺口。（b）分級變速機構的級數Z的選擇應根據設計數控機床的具體要求確定。通常Z＝3時，若＝3時，分級變速機構的恒功率區變速范圍可擴大到9左右，主軸轉速連續。（c）選擇電機功率時，在滿足機床要求的前提下，若無特殊要求，就不必選擇較大功率的電機，以免造成浪費。8.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計2．數控銑床的伺服進給系統設計

數控銑床對進給系統的要求集中在精度、穩定性和快速響應三個方面。1）傳動系統設計伺服電機一般最高轉速為1500r/min或2000r/min。如果伺服電機通過聯軸器與絲杠直接連接。即i＝18.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計2．數控銑床的伺服進給系統設計

1）傳動系統設計8.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計2．數控銑床的伺服進給系統設計

1）傳動系統設計8.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計2．數控銑床的伺服進給系統設計

1）傳動系統設計（兩種方案的傳動系統圖）8.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計2．數控銑床的伺服進給系統設計

2）滾珠絲杠的選擇8.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計2．數控銑床的伺服進給系統設計

2）滾珠絲杠的選擇8.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計2．數控銑床的伺服進給系統設計

2）滾珠絲杠的選擇8.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計2．數控銑床的伺服進給系統設計

2）滾珠絲杠的選擇8.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計2．數控銑床的伺服進給系統設計

3）.滾珠絲杠的支承選擇8.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計2．數控銑床的伺服進給系統設計

4）伺服電機的選擇8.2典型數控銑床的設計實例8.2.1典型數控銑床的結構設計2．數控銑床的伺服進給系統設計

4）伺服電機的選擇8.2典型數控銑床的設計實例8.2.2數控銑床的控制系統設計數控系統是數控銑床的核心。在國內外有很多規格不同、性能指標各異的數控系統，數控銑床可根據功能和性能要求，配置不同的數控系統。在國內，廣泛使用的一些國外知名品牌的數控系統穩定性好、可靠性高，得到了國內眾多企業的普遍認可。國內數控的代表產品之一華中數控，采用了以工業PC機為硬件平臺，DOS、Windows及其豐富的支持軟件為軟件平臺的技術路線，其主控系統具有質量好、性能價格比高、便于二次開發和集成等許多優點。本實例數控銑床采用了華中HNC－21M數控裝置8.2典型數控銑床的設計實例8.2.2數控銑床的控制系統設計

1.數控系統總體設計數控裝置HNC－21M采用開放式體系結構，內置嵌入式工業PC機，高性能32位中央處理器，配置彩色液晶顯示屏和標準機床面板，進給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內嵌式PLC接口、遠程I/O板接口集成于一體；最大聯動軸數為4軸，可選配各種類型的脈沖式、模擬式交流伺服驅動器。將本實例的三坐標數控銑床，增加一個回轉的A坐標，即增加一個數控分度頭或數控回轉工作臺，用以滿足某些特殊要求，這時銑床應相應地配制成四坐標控制系統。X、Y、Z為直線坐標軸，A為旋轉坐標軸；主軸控制采用變頻器同機械變速機構配合，液壓換檔，分高速、低速兩檔。8.2典型數控銑床的設計實例8.2.2數控銑床的控制系統設計

2.數控系統總體框圖8.2典型數控銑床的設計實例8.2.2數控銑床的控制系統設計3.電源部分8.2典型數控銑床的設計實例8.2.2數控銑床的控制系統設計

4.繼電器部分8.2典型數控銑床的設計實例8.2.2數控銑床的控制系統設計

5.輸入／輸出開關量8.2典型數控銑床的設計實例8.2.2數控銑床的控制系統設計

5.輸入／輸出開關量8.2典型數控銑床的設計實例8.2.2數控銑床的控制系統設計

6.主軸單元接線圖8.2典型數控銑床的設計實例8.2.2數控銑床的控制系統設計

7.伺服單元接線圖

配置了與華中數控生產的HSV－11系列交流伺服驅動裝置連接的專用串行進給驅動接口，連接方便，抗干擾能力強，無漂移。第8章數控機械設計實例本章重點：掌握數控機械及其部件的基本設計理論和方法、常用裝置或系統的工作原理。吸收國外先進設計理念和技術，提高設計質量和設計水平。本章難點：數控裝備通常由機械、液壓、數控、強電等多部分構成，根據產品功能要求進行合理的方案設計有一定的難度，特別是伺服進給系統的機械傳動和伺服電機的選擇與匹配，要有一定的理論知識與實踐經驗結合來完成。知識拓展：華中I型數控系統是我國具有自主版權的高性能數控系統之一。它以通用的工業PC機為基礎，采用開放式的體系結構，系統的可靠性和質量得到了保證。它適合多坐標(2-5軸)數控鏜床、銑床和加工中心，在增加相應的軟件模塊后，也可適應于其它類型的數控機床(數控磨床、車床、齒輪加工機床等)以及特種加工機床（激光加工機、線切割機等）。附錄資料：不需要的可以自行刪除CASS工藝1CASS工藝簡介2CASS工藝的基本原理3CASS工藝的基本特點4CASS工藝主要設計參數1CASS工藝簡介CASS（CyclicActivatedSludgeSystem）工藝是近年來國際公認的處理生活污水及工業廢水的先進工藝。其基本結構是：至少由兩個區域組成，即生物選擇區和主反應區，但也可在主反應區前設置一兼氧區，其主反應區后部安裝了可升降的自動撇水裝置。整個工藝的曝氣、沉淀、排水等過程在同一池子內周期循環運行，省去了常規活性污泥法的二沉池和污泥回流系統；同時可實現總體上連續進水，間斷排水。

2CASS工藝的基本原理

CASS是一種具有脫氮除磷功能的循環間隙廢水生物處理技術。每個CASS反應器由生物選擇區、兼氧區和主反應區三個區域組成。

CASS反應器CASS反應器1.生物選擇區2.兼氧區3.主反應區2CASS工藝的基本原理CASS工藝集反應、沉淀、排水功能于一體，污染物的降解在時間上是一個推流過程，而微生物則處于好氧、缺氧、厭氧周期性變化之中，從而達到對污染物去除作用，同時還具有較好的脫氮、除磷功能。生物選擇區作用在生物選擇區內，通過主反應區污泥的回流并與進水混合，不僅充分利用了活性污泥的快速吸附作用而且加速對溶解性底物的去除并對難降解有機物起到良好的水解作用，同時可使污泥中的磷在厭氧條件下得到有效的釋放。生物選擇區還可有效地抑制絲狀菌的大量繁殖，克服污泥膨脹，提高系統的穩定性。在生物選擇區中，污泥回流液中存在的少量硝酸鹽氮（約為2mg/L）可得到反硝化，反硝化量可達整個系統反硝化量的20%左右。選擇器可定容運行，亦可變容運行，多池系統中的進水配水池也可用作選擇器。兼性區作用兼氧區不僅具有輔助厭氧或兼氧條件下運行的生物選擇區對進水水質水量變化的緩沖作用，同時還具有促進磷的進一步釋放和強化氮的反硝化作用。主反應區作用主反應區則是最終去除有機底物的主要場所。運行過程中，通常將主反應區的曝氣強度以及曝氣池中溶解氧強度加以控制，以使反應區內主體溶液中處于好氧狀態，保證污泥絮體的外部有一個好氧環境進行硝化；活性污泥結構內部則基本處于缺氧狀態，溶解氧向污泥絮體內的傳遞受到限制，而較高的硝酸鹽濃度（梯度）則能較好地滲透到絮體內部，有效地進行反硝化，從而使主反應區中同時發生有機污染物的降解以及同步硝化和反硝化作用。CASS工藝的循環運行過程

CASS以一定的時間序列運行，其運行過程包括進水－曝氣、進水－沉淀、停止進水－排水和進水－閑置等4個階段并組成其運行的一個周期。CASS工藝的循環運行過程不同的運行階段的運行方式可根據需要進行調整,如無反應進水（即進水時既不曝氣也不攪拌）、無曝氣進水混合、進水曝氣及不進水曝氣等。一個運行周期結束后，重復上一周期的運行并由此循環不止。CASS工藝的循環運行過程

循環過程中，反應器內的水位隨進水而由初始的設計最低水位逐漸上升至最高設計水位，因而運行過程中其有效容積是逐漸增加的（即變容積運行）。曝氣和攪拌階段結束后，在靜止條件下使活性污泥絮凝并進行泥水分離，沉淀結束后通過移動堰表面潷水裝置排出上清水層并使反應器中的水位恢復至設計最低水位，然后，重復上一周期的運行。CASS工藝的循環運行過程

為保證系統在最佳條件下運行，必須定時排泥。CASS反應器中經沉淀后的污泥濃度可達10000mg/L以上，剩余污泥量要比傳統的活性污泥處理工藝少得多。CASS工藝的循環操作過程（1）曝氣階段：由曝氣裝置向反應池內充氧，此時有機污染物被微生物氧化分解，同時污水中的NH3-N通過微生物的硝化作用轉化為NO3--N。CASS工藝的循環操作過程（2）沉淀階段:

此時停止曝氣，微生物利用水中剩余的DO進行氧化分解。反應池逐漸由好氧狀態向缺氧狀態轉化，開始進行反硝化反應。活性污泥逐漸沉到池底，上層水變清。CASS工藝的循環操作過程（3）潷水階段:

沉淀結束后，置于反應池末端的潷水器開始工作，自上而下逐漸排出上清液。此時反應池逐漸過渡到厭氧狀態繼續反硝化。CASS工藝的循環操作過程（4）閑置階段:

閑置階段即是潷水器上升到原始位置階段。具體運行過程分析（1）進水—曝氣階段。此階段，邊進水邊曝氣，同時將主反應器區的污泥回流至生物選擇器。污泥回流量約為處理廢水量的20%。

具體運行過程分析（2）進水—沉淀。此階段，停止曝氣，靜置沉淀以使泥水分離。在沉淀剛開始時，由于曝氣所提供的攪拌作用剩余的混合能使污泥發生絮凝，隨后污泥以區域沉降的形式下降，因而所形成的沉淀污泥濃度較高（當混合液的污泥濃度為3500mg/L時，經沉淀后污泥的濃度可達到10000mg／L以上）。與SBR工藝不同的是，CASS工藝在沉淀階段不僅不停止進水，而且污泥回流也不停止。由于在沉淀期間反應器不排水，因而在合理設計的條件下，反應器猶如豎流式沉淀池，而其表面負荷則要比豎流式沉淀池低得多，可獲得良好的沉淀分離效果。具體運行過程分析（3）停止進水－排水。此階段，CASS反應器停止進水。根據處理系統中CASS反應器個數的不同，或者將原水引入其它CASS反應器（兩個或兩個以上CASS反應器），或者將原水引入CASS反應器之前的集水井（單個CASS反應器）。排水均采用自動控制的潷水器進行。排水期間，污泥回流系統照常工作。污泥回流的目的是提高缺氧區的污泥濃度，以使隨污泥回流該區內污泥中的硝態氮進行反硝化，并進行磷的釋放而促進在好氧區內對磷的吸收。由于CASS反應器在運行過程中的最高水位和潷水時的最低水位是設計確定的，因而在潷水期間進行污泥回流不會影響出水水質。具體運行過程分析（4）進水－閑置階段。實際運行過程中，由于潷水時間往往要比設計潷水時間短，其剩余時間通常用于反應器內污泥的閑置以恢復污泥的吸附能