大直徑鉆銑床

PAGEword文檔可自由復(fù)制編輯摘要本設(shè)備主要用于對(duì)大直徑圓形零部件在圓周上進(jìn)行銑削和在規(guī)定位置上銑平面或鉆孔,它的主控系統(tǒng)采用Siemens的SINUMERIC802Cbaseline控制,由流水線上的PLC信號(hào)作為引導(dǎo),利用光柵尺作為反饋信號(hào)。在本次設(shè)計(jì)過程中,動(dòng)力裝置采用了易于控制的步進(jìn)電機(jī),控制方式為閉環(huán)控制,傳感器采用精度較高，使用較為普遍的光柵尺作為閉環(huán)控制的反饋元件。機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)完成機(jī)床的橫、豎向運(yùn)動(dòng)，機(jī)械導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用滾珠導(dǎo)軌與滑動(dòng)導(dǎo)軌相結(jié)合的方式完成橫、豎向?qū)?。?shù)控機(jī)床是新型的自動(dòng)化機(jī)床，它具有廣泛通用性和很高的自動(dòng)化程度。數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化重要的裝置，是發(fā)展柔性生產(chǎn)的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床在零件的加工中，更能顯示出它的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞大直徑圓形零部件；閉環(huán)控制；步進(jìn)電機(jī)

TitleLarge-diameterboredmillingmachinedesignandcontrolAbstractThisequipmentmainlyforthelarge-diametercircleintheroundpartsonthespecifiedlocationandmillingontheplaneormillingdrilling,themaincontrolsystemusestheSiemensSINUMERIC802CbaselinecontrolledbythePLCsignalonthelineasaguide,Usinggratingfeedbackdeviceasasignal.Inthedesignprocess,ispoweredbyaneasycontrolofthesteppermotor,controlmethodsforclosed-loopcontrol,sensorsusinghighprecision,usethemorecommontypesoffootgratingfeedbackasaclosed-loopcontrolcomponents.Machineryimplementingagenciestocompletethestructureofaballscrewmachinehorizontal,verticalmovement,machine-orientedorganizationstoadoptBallGuidesandslidingrailscompletionofacombinationofhorizontalandverticalorientation.NCmachinetoolsisanewtypeofautomatedmachinetools,ithasawiderangeofgenericandahighdegreeofautomation.CNCmachinetoolstoachieveflexibleautomationequipmentimportantisthedevelopmentofflexibleproductionbase.NCmachinetoolpartsintheprocessing,itcanshowthesuperiorityKeywordsLarge-diametercircularparts；closed-loopcontrol；step-by-steptheelectricalmachinery

目錄63241概述 1255821.1課題的提出 1116341.2數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和趨勢(shì) 1266891.2.1國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展情況 1263531.2.2.數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和趨勢(shì) 2158641.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 5241391.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容 5289402機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 6291382.1導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6183842.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6293302.2.1豎向運(yùn)動(dòng)裝置 628272.2.2橫向運(yùn)動(dòng)裝置 7231882.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算 7142242.3.1縱向運(yùn)動(dòng)裝置 7149832.3.2橫向運(yùn)動(dòng)裝置 9117322.3.3伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)、校驗(yàn) 12167702.3.4傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)與校驗(yàn) 15223063電控部分設(shè)計(jì) 1861363.1SINUMERIK802Cbaseline的系統(tǒng)介紹 18136413.2系統(tǒng)的電氣組成原理示意圖 19202383.3可編程序控制器(PLC)及其應(yīng)用 19145973.4系統(tǒng)的主電路原理圖 20286683.5系統(tǒng)的I/O電路原理圖 20212803.6控制系統(tǒng) 23108293.7電柜設(shè)計(jì) 24258283.8系統(tǒng)的電源電路原理圖 25245023.8.1控制變壓器 25283343.8.2I/O系統(tǒng)電源及輔助控制電路 2615163.9光柵尺的基本原理 26277593.10運(yùn)行程序 2811066結(jié)論 4529613設(shè)計(jì)體會(huì) 462655致謝 471692參考文獻(xiàn) 481概述1.1課題的提出目前，在國(guó)內(nèi)的數(shù)控機(jī)床中,大都是加工直徑比較小的零部件，而那些大直徑的零部件都很難加工，本設(shè)計(jì)正是為了解決這一問題，能夠?qū)Υ笾睆綀A形零部件在圓周上進(jìn)行銑削和在規(guī)定位置上銑平面或鉆孔，全部過程為數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過流水線上的PLC信號(hào)引導(dǎo)，利用光柵尺作為反饋信號(hào)。數(shù)控機(jī)床是新型的自動(dòng)化機(jī)床，它具有廣泛通用性和很高的自動(dòng)化程度。數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化重要的裝置，是發(fā)展柔性生產(chǎn)的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床在下面一些零件的加工中，更能顯示出它的優(yōu)越性。它們是：批量小而又多次生產(chǎn)的零件；幾何形狀復(fù)雜的零件；在加工過程中必須進(jìn)行多種加工的零件；切削余量大的零件；必須控制公差（即公差帶范圍小）的零件；工藝設(shè)計(jì)會(huì)變化的零件；加工過程中的錯(cuò)誤會(huì)造成嚴(yán)重浪費(fèi)的貴重零件；需全部檢測(cè)的零件，等等。度。數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)：提高生產(chǎn)率；穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量；有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性；可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用；提高經(jīng)濟(jì)效益；不需要專用夾具；大大地減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)數(shù)控機(jī)床是具有廣泛的通用性而又具有很高自動(dòng)化程度的全新型機(jī)床。它的控制系統(tǒng)不僅能控制機(jī)床各種動(dòng)作的先后順序，還能控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度，以及刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡。數(shù)控機(jī)床是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM），群控（DNC）,柔性制造系統(tǒng)（FMS）。計(jì)算機(jī)繼承制造系統(tǒng)（CIMS）等柔性加工和柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。但是，數(shù)控機(jī)床的初投資及維修技術(shù)等費(fèi)用較高，要求管理及操作人員的素質(zhì)也較高。合理地選擇及使用數(shù)控機(jī)床，可以降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)能力。1.2數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和趨勢(shì)1.2.1國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展情況我國(guó)從1958年開始研究數(shù)控技術(shù)，一直到60年代中期處于研制、開發(fā)時(shí)期。當(dāng)時(shí)，一些高等院校、科研單位研制出試驗(yàn)性樣機(jī)，開始也是從電子管著手的。1965年，國(guó)內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。60年代末至70年代初研制成了劈錐數(shù)控銑床、數(shù)控非圓齒輪插齒機(jī)、CJK-18晶體管數(shù)控系統(tǒng)及X53K-1G立式銑床。從70年代開始，數(shù)控技術(shù)在車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。但由于電子元期間的質(zhì)量和制造工藝水平差。致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性未得到解決，因此未能廣泛推廣。在這一時(shí)期，數(shù)控線切割機(jī)床由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，在磨具加工中得到了推廣。80年代，我國(guó)從日本發(fā)那科（FANUC）公司引進(jìn)了5，7，3等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電機(jī)，直流主軸電機(jī)技術(shù)，以及從美國(guó)、德國(guó)等國(guó)引進(jìn)了一些新技術(shù)。并進(jìn)行了商品化生產(chǎn)，這些系統(tǒng)可靠性高，功能齊全。推動(dòng)了我國(guó)數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定的發(fā)展，使我國(guó)的數(shù)控機(jī)床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。1985年，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的品種有了新的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的品種不斷增多，規(guī)格齊全。許多技術(shù)復(fù)雜的大型數(shù)控機(jī)床、重型數(shù)控機(jī)床都相繼研制出來。為了跟蹤國(guó)外技術(shù)的發(fā)展，北京機(jī)床研究所研制出了JCS-FM-1、2型的柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)。這個(gè)時(shí)期，我國(guó)在引進(jìn)、消化國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量開發(fā)工作。一些較高檔次的數(shù)控系統(tǒng)（五軸聯(lián)動(dòng)）、分辨率為0.02μm的高精度數(shù)控系統(tǒng)都開發(fā)出來了。并造出樣機(jī)。現(xiàn)在，我國(guó)已經(jīng)建立了以中、低檔數(shù)控機(jī)床為主的產(chǎn)業(yè)體系。90年代將向高檔數(shù)控機(jī)床發(fā)展。1.2.2.數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)的進(jìn)步，以及社會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量品種多樣化的要求越來越強(qiáng)烈。中、小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，要求現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床成為一種高效率、高質(zhì)量、高柔性和低成本的新一代制造設(shè)備。同時(shí)，為了滿足制造業(yè)向更高層次發(fā)展，為柔性制造單元（FMC），柔性制造系統(tǒng)（FMS），以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）提供基礎(chǔ)設(shè)備，也要求數(shù)控機(jī)床向更高水平發(fā)展。這些要求主要有數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展來實(shí)現(xiàn)。數(shù)控技術(shù)體現(xiàn)在數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、程序編制、機(jī)床主機(jī)和檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)等方面：（一）數(shù)控裝置推動(dòng)數(shù)控技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素是數(shù)控裝置。由于微電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展非常快，其技術(shù)發(fā)展概況如下：1.數(shù)控裝置的微處理器已經(jīng)由8位CPU過渡到16位和32位CPU，頻率有原來的5MHz,提高到16MHz,20MHz和32MHz,并且開始采用精簡(jiǎn)指令集運(yùn)算芯片RISC作為主CPU，進(jìn)一步提高了運(yùn)算速度。采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路和多個(gè)微處理器，使結(jié)構(gòu)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，使其數(shù)控功能根據(jù)用戶需要進(jìn)行任意組合和擴(kuò)展。2.具有強(qiáng)功能的內(nèi)裝式機(jī)床可編程控制器，用梯形圖語言，C語言或Pascal語言進(jìn)行編程。在CNC和PC之間有高速窗口，它們有機(jī)地結(jié)合起來。除能完成開關(guān)量的邏輯控制外，還有監(jiān)控功能和軸控制功能等。3.配備多種遙控接口和智能接口。系統(tǒng)除配有RS232C串行接口，光纖維和20mA電流回路等外，還有CNC接口?？梢詫?shí)現(xiàn)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通訊，也可以直接對(duì)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床，為了適應(yīng)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，適應(yīng)工廠自動(dòng)化規(guī)模越來越大的要求，紛紛采用MAP等高級(jí)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同廠家和不同類型機(jī)床的聯(lián)網(wǎng)要求。4.具有很好的操作性能。系統(tǒng)具有“友好”的人機(jī)界面，普通采用薄膜軟按鈕的操作面板，減少指示燈和按鈕數(shù)量，使操作一目了然。大量采用菜單選擇操作方法，使操作越來越方便。CRT顯示技術(shù)大大提高，彩色圖像顯示已很普通。不僅能顯示字符，平面圖形，還能顯示三維動(dòng)態(tài)立體圖形。5.數(shù)控系統(tǒng)的可靠性大大提高。大量采用高集成度的芯片、專用芯片及混合式集成電路，提高了硬件質(zhì)量，減少了元器件數(shù)量。這樣降低了功耗，提高了可靠性。新型大規(guī)模集成電路，采用了表面安裝技術(shù)（SMT），實(shí)現(xiàn)了三維高密度安裝工藝。元器件經(jīng)過嚴(yán)格篩選，建立由設(shè)計(jì)、試制到生產(chǎn)的一整套質(zhì)量保證體系，使得數(shù)控裝置的平均無故障時(shí)間MTBF=10000-36000小時(shí)。（二）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。與數(shù)控裝置相配合，伺服系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性直接影響機(jī)床的定位精度、加工精度和位移精度?，F(xiàn)在，直流伺服系統(tǒng)被交流數(shù)字伺服系統(tǒng)代替。伺服電機(jī)的位置、速度及電流環(huán)都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。并采用了新的控制理論，實(shí)現(xiàn)了不受機(jī)械負(fù)荷變動(dòng)影響的高速響應(yīng)系統(tǒng)。其發(fā)展的技術(shù)如下：1.前饋控制技術(shù)。過去的伺服系統(tǒng)，是把檢測(cè)器信號(hào)與位置指令的差值乘以位置環(huán)增益作為速度指令。這種控制方式總是存在著追蹤滯后誤差，這使得在拐角加工及圓弧加工時(shí)精度惡化。所謂前饋控制就是在遠(yuǎn)來的控制系統(tǒng)上加上速度指令的控制，這樣使追蹤之后誤差大大減小。2.機(jī)械靜止摩擦的非線性控制技術(shù)。對(duì)于一些具有較大精致摩擦的數(shù)控機(jī)床，新型的數(shù)字伺服系統(tǒng)具有補(bǔ)償機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)靜摩擦的非線性控制功能。3.伺服系統(tǒng)的位置環(huán)和速度環(huán)，均采用軟件控制。為適應(yīng)不同類型的機(jī)床，不同精度和不同速度的要求，預(yù)先調(diào)整加、減速性能。4.采用高分辨率的位置檢測(cè)裝置。如高分辨率的脈沖編碼器，內(nèi)有微處理器組成的細(xì)分電路，使得分辨率大大提高。增量位置檢測(cè)為10000P/r;絕對(duì)位置檢測(cè)為1000000P/r5.補(bǔ)償技術(shù)得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床利用CNC數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償功能，對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了多種補(bǔ)償，有軸向運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償、齒輪間隙補(bǔ)償、熱補(bǔ)償和空間誤差補(bǔ)償。（三）程序編制數(shù)控機(jī)床的零件程序編制是實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的主要環(huán)節(jié)。編程技術(shù)的發(fā)展有以下幾方面的特點(diǎn)：1.脫機(jī)編程發(fā)展到在線編程。傳統(tǒng)的編程是脫機(jī)進(jìn)行的。由手工、電子計(jì)算機(jī)以及專用編程機(jī)來完成，然后再輸入給數(shù)控裝置?，F(xiàn)代的CNC裝置有很強(qiáng)的存儲(chǔ)和運(yùn)算能力，把很多自動(dòng)編輯機(jī)具有的功能，植入到數(shù)控裝置里，使零件的程序編制工作可以在數(shù)控系統(tǒng)上在線進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話。在手工操作鍵和彩色顯示器配合下，實(shí)現(xiàn)程序輸入、編輯、修改、刪除。數(shù)控系統(tǒng)具有了前臺(tái)操作、后臺(tái)編輯的前后臺(tái)功能。2.具有機(jī)械加工技術(shù)中的特殊工藝方法和組合工藝方法的程序編制功能。除了具有圓切削、固定循環(huán)和圖形循環(huán)外，還有宏程序設(shè)計(jì)功能、會(huì)話式自動(dòng)編程、藍(lán)圖編程和實(shí)物編程功能。3.編程系統(tǒng)由只能處理幾何信息發(fā)展到幾何信息和工藝信息同時(shí)處理新階段。新型的CNC數(shù)控系統(tǒng)中裝入了小型工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，使得在線程序編制過程中，可以自動(dòng)選擇最佳刀具和切削用量。（四）機(jī)床主機(jī)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)適應(yīng)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用機(jī)電一體化的總體布局。為提高生產(chǎn)率，一般都采用自動(dòng)換刀裝置，自動(dòng)更換工件機(jī)構(gòu)、“數(shù)控夾盤”和“數(shù)控夾具”等。為了提高數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，伺服系統(tǒng)和機(jī)床主機(jī)進(jìn)行了很好的機(jī)電匹配。同時(shí)，主機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。（五）數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)和監(jiān)督數(shù)控機(jī)床加工過程中進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)督越來越普通，裝有各種類型的監(jiān)控、檢測(cè)裝置。例如紅外、聲反射（AE）。激光檢測(cè)裝置，對(duì)刀具和工件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。發(fā)現(xiàn)工件超差、刀具磨損、破損，都能及時(shí)報(bào)警，并給予補(bǔ)償，或?qū)Φ毒哌M(jìn)行調(diào)換，保證了產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床都具有很好的故障自診斷功能及保護(hù)功能。軟件限位和自動(dòng)返回功能避免了加工過程中出現(xiàn)的特殊情況而造成工件報(bào)廢和事故。（六）適應(yīng)控制（Adaptivecontrol）數(shù)控機(jī)床增加更完善的適應(yīng)控制功能是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。適應(yīng)控制機(jī)床是一種能隨著加工過程中切削條件的變化，自動(dòng)地調(diào)整切削用量，實(shí)現(xiàn)加工過程最佳化的自動(dòng)控制機(jī)床。數(shù)控機(jī)床的適應(yīng)控制功能由檢測(cè)單一或少數(shù)參數(shù)（如功率、扭矩或力等）進(jìn)行調(diào)整的“約束適應(yīng)控制”，發(fā)展到檢測(cè)調(diào)控多參數(shù)的“最佳適應(yīng)控制”和“學(xué)習(xí)控制”。1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在本次設(shè)計(jì)過程中,動(dòng)力裝置采用了易于控制的伺服電機(jī),控制方式為閉環(huán)控制,傳感器采用精度較高，較為普遍的光柵尺為閉環(huán)控制的反饋元件。它的主控系統(tǒng)采用Siemens的SINUMERIC802Cbaseline控制,由流水線上的PLC信號(hào)作為引導(dǎo)。機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)完成機(jī)床的橫、豎向運(yùn)動(dòng)。機(jī)械導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用滾珠導(dǎo)軌與滑動(dòng)導(dǎo)軌相結(jié)合的方式完成橫、豎向?qū)颉?.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容1.執(zhí)行元件的選擇：選擇時(shí)應(yīng)考慮負(fù)載能力、調(diào)速范圍、運(yùn)行精度等多方面要求，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用最為廣泛，一般情況下，優(yōu)先選用。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)控制簡(jiǎn)單，而且本次設(shè)計(jì)要求的速度不高，所以步進(jìn)電機(jī)最為適合。2.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的選擇：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的一個(gè)機(jī)械接口，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)和力進(jìn)行變換和傳遞。豎直傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：通過滾珠絲杠與普通絲杠進(jìn)行比較,綜合考慮進(jìn)給部分功能及精度要求,本次設(shè)計(jì)選擇了滾珠絲杠。橫向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：通過水平的滾珠絲杠傳遞扭矩，完成工作臺(tái)上夾持器的橫向運(yùn)動(dòng)。3．導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選擇：導(dǎo)向機(jī)構(gòu)即導(dǎo)軌，主要有滑動(dòng)和滾動(dòng)兩大類?；瑒?dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便和抗振性好，利于豎直導(dǎo)向，所以豎直導(dǎo)向裝置采用滑動(dòng)軌。而滾珠導(dǎo)軌精度高，導(dǎo)向性好，摩擦因數(shù)小，啟動(dòng)輕便，運(yùn)動(dòng)靈敏。不易爬行，壽命長(zhǎng)，適用于水平導(dǎo)向及精度較高場(chǎng)合，所以本次設(shè)計(jì)水平導(dǎo)軌才用滾珠導(dǎo)軌。4．反饋元件的選擇：由于光柵尺結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，控制容易，易于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度的測(cè)量，所以選用尺狀的直線位移傳感器光柵尺作為反饋元件。2機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算2.1導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)其作用是支撐和導(dǎo)向，為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)裝置能到安全、準(zhǔn)確的完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)提供保障。根據(jù)導(dǎo)軌副之間摩擦情況，導(dǎo)軌可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌?；瑒?dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便個(gè)，剛度好，抗震性高。滾動(dòng)導(dǎo)軌的導(dǎo)向面之間放置滾珠，滾珠或滾針等滾動(dòng)體來實(shí)現(xiàn)兩導(dǎo)軌無滑動(dòng)地相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這種導(dǎo)軌摩損小，壽命大，定位精度高，靈敏度好，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，但對(duì)幾何精度要求高，抗振性較差，防護(hù)要求高，本次設(shè)計(jì)采用了滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠導(dǎo)軌相結(jié)合的方式，因?yàn)榛瑒?dòng)導(dǎo)軌是機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)用廣，滾珠導(dǎo)軌傳動(dòng)精度高。2.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.2.1豎向運(yùn)動(dòng)裝置圖2-1縱向裝置傳動(dòng)圖豎向運(yùn)動(dòng)裝置的工作過程如下：步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器，由齒輪把扭矩傳遞給豎直方向的滾珠絲杠，帶動(dòng)升降臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)。由于滾珠絲杠無自鎖，故采用電磁制動(dòng)器，當(dāng)需要停止是，由電子開關(guān)控制步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，同時(shí)起動(dòng)電磁制動(dòng)器，對(duì)滾珠絲杠自鎖，防止?jié)L珠絲杠自動(dòng)下滑，達(dá)到精確定位。2.2.2橫向運(yùn)動(dòng)裝置具體傳動(dòng)過程如下：伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)矩遞給滾珠絲杠，讓絲杠帶動(dòng)刀頭運(yùn)動(dòng)，從而完成進(jìn)給的過程。圖2-2橫向裝置傳動(dòng)圖2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算2.3.1縱向運(yùn)動(dòng)裝置1．滾珠絲杠副的選擇已知：工作載荷Fm=2800N，絲杠的工作長(zhǎng)度為0.566m，平均轉(zhuǎn)速1500r/min，最大轉(zhuǎn)速2200r/min。2.計(jì)算載荷Fc=因?yàn)榫鹊燃?jí)為D級(jí)所以K=1.0＝根據(jù)參考文獻(xiàn)3選?。海?1.2，K=1.0，Ｋ＝1.0Fc==3360N3．額定動(dòng)載荷C＝F＝3360＝39141.3N計(jì)算的額定動(dòng)載荷為39141.3N＜40895N故選擇FC1—8010－2.5型號(hào)滾珠絲杠，其主要數(shù)據(jù)如下：Ca＝40895Ｎ公稱直徑：D=80mm導(dǎo)程：P＝10mm螺旋角：＝滾珠直徑：d＝5.953mm滾道半徑：R＝＝0.525.953＝3.1mm偏心距：＝=絲杠內(nèi)徑：d＝D＋e－2R＝80＋0.308－23.1＝74.108mm4．穩(wěn)定性驗(yàn)算（1）由于一端軸固定的絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)車生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)，其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)允許安全系數(shù)[S]。計(jì)算臨界載荷FcrFcr＝彈性模量E＝2.0610Pa＝＝根據(jù)參考文獻(xiàn)3?。?/3Fcr＝=376729.54N安全系數(shù)：S＝Fcr/Fm＝376729.54/2800=289.2根據(jù)參考文獻(xiàn)3，可知安全系數(shù)[S]＝2.2～3.3S>即絲杠安全,不會(huì)失穩(wěn)。（2）絲杠需要驗(yàn)算其不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速n，要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速ｎ。ｎ＝9910根據(jù)參考文獻(xiàn)3選?。?3.927，μ=2/3ｎ＝9910=133782r/minｎn＝2200ｒ/min。所以絲杠不會(huì)發(fā)生共振。（3）要求滾珠絲杠副Dn70000mmr/minDｎ＝401500＝60000mmr/min〈70000mmr/min所以該絲杠副工作穩(wěn)定。5．剛度驗(yàn)算滾珠絲杠在工作負(fù)載下F（N）和T（Nm）公同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形為：在本次設(shè)計(jì)中取摩擦系數(shù)為tan，即所以T＝1300＝1.72N·ｍ==4.358μm則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為==2.675μm要求該絲杠的導(dǎo)程誤差滿足上式，故其剛度滿足要求。6．效率驗(yàn)算滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為=tan（3/tan（3）=0.936要求在0.9—0.96之間，所以此絲杠副是合格的。2.3.2橫向運(yùn)動(dòng)裝置1．導(dǎo)軌型號(hào)的選擇滑座上的載荷為F=2400N，Ls=6m，每分鐘往復(fù)次數(shù)2，工作時(shí)間Lh=12000hF=F/M=2400/4=600NTs=2TLsn/103=2120006460/1000=4608km計(jì)算動(dòng)載荷CC=F=600=6691.8N查表2-15～2-18f=1.0，f=1.0，f=2.0，f=0.8K為壽命系數(shù)，一般取K=50㎞因?yàn)?691.8N<17500N,所以選擇HJG－D55型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。2．滾珠絲杠副的選擇計(jì)算(1)．已知：平均工作載荷Fm=600N，絲杠工作長(zhǎng)度L=0.8m。平均轉(zhuǎn)速n=1500r/min，最大轉(zhuǎn)速n=2500r/min，使用壽命Lh＝12000h左右，材料為鋼，滾道硬度為60HRC，傳動(dòng)精度mm,求計(jì)算載荷F。F＝Ｋ查表2-6取K=1.2，查表2-7取K=1，因?yàn)榫鹊燃?jí)為D級(jí)，因此K＝1.0所以Fc＝0.81.01.0600＝480N(2)．計(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)算值CaC＝F＝480＝4921.45N額定動(dòng)載荷4921.45N＜5982N故查表2-9選用2504—2.5選擇滾珠絲杠副數(shù)據(jù)如下：導(dǎo)程：P＝10mm公稱直徑D=40mm螺旋角：＝滾珠直徑：d＝5.381ｍｍ滾道半徑：R＝0.52=0.522.381=1.238mm偏心距：ｅ=0.07（R－d/2）＝0.07(1.238－5.381/2）=3.29絲杠內(nèi)徑：d＝D＋e－2R=22.54mm(3)．穩(wěn)定性驗(yàn)算由于一端軸固定的絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)車生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)，其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)允許安全系數(shù)[S]計(jì)算臨界載荷FcrFcr＝剛彈性模量E＝2.0610Pa根據(jù)已知條件：＝d/64=3.14/64=1.26根據(jù)參考文獻(xiàn)3，選取μ＝2/3Fcr＝=89970.04N安全系數(shù)：S＝Fcr/Fm=85686/600=149.96查表2－10知[S]＝2.2～3.3S即絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。(4)．絲杠在高速工作時(shí)可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速ｎ＝9910根據(jù)參考文獻(xiàn)3取f＝3.927，μ＝2/3ｎ＝9910=121084r/minｎn＝2500ｒ/min。所以絲杠不會(huì)發(fā)生共振。(5)．滾珠絲杠要求Dn70000mmr/minDｎ＝251500＝37500mmr/min〈70000mmr/min所以該絲杠副工作穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。(6)．剛度驗(yàn)算滾珠絲杠導(dǎo)程變形量：Ｔ＝Ftan（）在本次設(shè)計(jì)中取摩擦系數(shù)為tan，即T＝600+0.1432）=0.52N·m=+==4.254um因此絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為=0.8/4=8.5m要求該絲杠的導(dǎo)程誤差滿足上式，故其剛度滿足要求。(7)．效率驗(yàn)算=tan/tan（）=0.945要求在0.9—0.98之間，所以此絲杠副是合格的2.3.3伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)、校驗(yàn)１．伺服電機(jī)的選擇取脈沖當(dāng)量為：=0.005mm滾珠絲杠的導(dǎo)程：P＝4mm初設(shè)傳動(dòng)比為：i=2則=360=0.9因?yàn)?.9〈1.5故選用Y180L-4型號(hào)伺服電機(jī)2．伺服電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩T＝2.2Nm，＝1.5， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ｊｍ＝46.1（1）已知：滾珠絲杠直徑d＝40mm導(dǎo)程P＝10mm刀頭及附件質(zhì)量m=100kg導(dǎo)軌摩擦系數(shù)＝0.2最大軸向載荷F＝1300N絲杠長(zhǎng)度L＝6000mm絲杠最小拉壓長(zhǎng)度Lmin=60mm最大拉壓長(zhǎng)度Lmax=380mm絲杠支撐向剛度K=1.96絲杠螺母間的接觸剛度K=1.02系統(tǒng)脈沖當(dāng)量=0.005mm空載啟動(dòng)時(shí)間=40ms最大進(jìn)給速度Vmax=2m/min定位精度0.01mm（2）傳動(dòng)比計(jì)算i==0.6=2（3）當(dāng)量負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算J=J==2.58kg·mJ==3.42kg·m==3.26kg·mＪ=J+1/(J+)+(m=4.158kg·m（4）慣量匹配驗(yàn)算==0.9因?yàn)闈M足1/4要求，說明慣量匹配合理。（5）負(fù)載能力校驗(yàn)J=Jm+Jd=4.61+4.158=8.768kg·m空載啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)軸上的慣量轉(zhuǎn)矩：Tj=J=J=8.768=1.84Nm電機(jī)軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩：Tu===0.158Nm其中電機(jī)傳動(dòng)鏈的總效率為=0.98設(shè)滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力為最大軸向載荷的1/3，因預(yù)緊力引起的折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩為：T0====0.036Nm刀頭上的最大軸向載荷折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為Tw===0.9Nm于是空載啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：Tq=Tj+Tu+To=1.84+0.158+0.036=2.034Nm在最大外載荷下工作時(shí)，電機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：T=Tw+Tu+To=0.9+0.158+0.036=1.961Nm空載啟動(dòng)所需電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：T=Tq/0.951=2.138Nm在最大外載荷下工作時(shí)所需電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：T=T/（0.3—0.5）=5.93—3.56Nm因?yàn)門s=5.0NmT=2.138Nm，所以，伺服電機(jī)能運(yùn)轉(zhuǎn)。（6）系統(tǒng)剛度計(jì)算絲杠最大，最小拉壓剛度為：K===2.35N/mK===3.96N/m假設(shè)絲杠軸向支撐經(jīng)過預(yù)緊并忽略軸承座和螺母座剛度的影響，求絲杠螺母機(jī)構(gòu)的綜合拉壓剛度：==6.23N/m所以K=1.6==2.55+4.39+9.8K=2.5N/m（7）固有頻率計(jì)算絲杠質(zhì)量為：m=1/4=1/4=4.05kg刀頭共振系統(tǒng)的最低固有頻率為==1764r/s折算到絲杠軸上系統(tǒng)的總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J=J=8.657=3.46kg.m如果忽略電機(jī)軸及減速器的扭轉(zhuǎn)變形，系統(tǒng)的最低扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率為：==2011rad/s都很高,說明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好。（8）死區(qū)誤差計(jì)算設(shè)齒輪傳動(dòng)和絲杠螺母機(jī)構(gòu)分別采取了消隙和預(yù)緊措施求由摩擦力引起的最大反向死區(qū)誤差為：=1.36mm<說明該系統(tǒng)能滿足單脈沖進(jìn)給的要求。（9）由系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差計(jì)算=F=50）=0.0021mm 由于定位精度為即系統(tǒng)允許的定位誤差為=0.02mm，故系統(tǒng)滿足要求。2.3.4傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)與校驗(yàn)已知：輸入電機(jī)轉(zhuǎn)矩T1=5.0Nm，大齒輪轉(zhuǎn)速n=620r/min，齒數(shù)比u=4，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作壽命15年，兩班制，工作平穩(wěn)，雙向傳動(dòng)。1．選定齒輪類型，精度等級(jí)，材料及齒數(shù)。選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。由參考文獻(xiàn)選取大小齒輪的材料均為45#，齒面硬度為162--217HBS。（1）選取精度等級(jí)為7級(jí).（2）選小齒輪齒數(shù)Z=20，Z=uZ=802．齒面接觸強(qiáng)度(1)選載荷系數(shù)K=1.3(2)由參考文獻(xiàn)查得材料的彈性影響系數(shù)Z=143.7MPa(3)由參考文獻(xiàn)選取齒寬系數(shù)(4)由參考文獻(xiàn)查得大小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=320MPa(5)進(jìn)行應(yīng)力循環(huán)次數(shù)計(jì)算N1=60=60=4.32N2=N1/i=8.64=2.16(6)由參考文獻(xiàn)查得接觸疲勞壽命系數(shù)K=0.88，K=0.90(7)接觸疲勞許用應(yīng)力的計(jì)算假設(shè)失效概率為0.01,取安全系數(shù)s=1==0.88=281.6MPa=K/S=0.9=288.0MPa3．計(jì)算尺寸(1)小齒輪分度圓直徑d2.3249.86mm(2)齒輪的圓周速度為:V==3.14=2.61m/s(3)尺寬數(shù)值為:B==0.4=19.8mm(4)齒輪模數(shù)和齒高模數(shù)m=d/z=49.86/25=1.99mm齒高h(yuǎn)=2.25mt=2.251.99=4.378mm(5)計(jì)算載荷系數(shù)根據(jù)V=2.61/m/s，7級(jí)精度，所以根據(jù)參考文獻(xiàn),查得動(dòng)載荷系數(shù)為Kv=1，因?yàn)樗x齒輪為直齒輪，初選KFt/b100Nm，由參考文獻(xiàn),查得K=K=1.1由參考文獻(xiàn),查得使用系數(shù)K=1;K=1.6;K=1.64K=KK=1=1.75(6)對(duì)分度圓直徑進(jìn)行校正d=d=49.8=61.43mm(7)模數(shù)尺寸m=d/z=61.43/25=2.457mm初選各傳動(dòng)齒輪齒數(shù)Z=20Z=40m=2.5mmB=35mmB=20mm4．按齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算設(shè)計(jì)(1)由參考文獻(xiàn)查得大小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=60MPa彎曲疲勞壽命系數(shù)K=0.89，K=0.90初選疲勞安全系數(shù)S=1.4=K/S=38.2MPa=K/S=38.5MP(2)計(jì)算載荷系數(shù)K=K=1=1.804(3)由參考文獻(xiàn),取Y=2.8，Y=2.40(4)計(jì)算應(yīng)力,校正各項(xiàng)系數(shù)由參考文獻(xiàn),取Y=1.55，Y=1.67(5)計(jì)算大小齒輪的YY/=2.8=2.4=0.104根據(jù)計(jì)算進(jìn)行比較,小齒輪的數(shù)值大。(6)計(jì)算模數(shù)：m=2.34mm2.5mm故取m=2.5mmd=61.43mZ=d/m=61.43/2.5=24.5取Z=25Z=uZ=225=505．幾何尺寸的計(jì)算(1)確定齒輪中心距的大小a=（d+d/2）=（62.5+125/2）=93.75mm(2)齒輪分度圓直徑的大小:d=m=2.525=62.5mmd=m=2.550=125mm(3)齒輪寬度的大小為:B==0.462.5=25mm取B1=25mm，B2=37mm3電控部分設(shè)計(jì)3.1SINUMERIK802Cbaseline的系統(tǒng)介紹SINUMERIK802Cbaseline是在SINUMERIK802C基礎(chǔ)上新開發(fā)的全功能數(shù)控系統(tǒng)。它可以控制2~3個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給軸和一個(gè)伺服主軸或變頻主軸。連接SIMODRIVE611U或SIMODRIVEbaseline。當(dāng)系統(tǒng)匹配SIMODRIVE611U或SIMODRIVEbaseline時(shí)，連接1FK7系列伺服電機(jī)。SINUMERIK802Cbaseline的系統(tǒng)組成·CNC控制器集成式、緊湊型CNC控制器，配置8”·驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)SIMODRIVE611U或者SIMODRIVEbaseline帶1FK7系列伺服電機(jī)。目前SIMODRIVEbaseline帶1FK7的配置有3種：3Nm+6Nm;6Nm+8Nm;11Nm,光軸，帶/不帶抱閘；使用SIMODRIVEbaseline與1FK7的配置為：3Nm/6Nm/8Nm/11Nm,光軸，帶/不帶抱閘?！る娎|連接CNC控制器到驅(qū)動(dòng)器的電纜為速度給定值電纜和位置反饋值電纜；連接驅(qū)動(dòng)器到電機(jī)的電纜為編碼器電纜和電機(jī)動(dòng)力電纜。圖3-1SINUMERIK802Cbaseline接口布置3.2系統(tǒng)的電氣組成原理示意圖圖3-2電氣組成原理圖3.3可編程序控制器(PLC)及其應(yīng)用可編程序控制器(PLC)是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是近年來發(fā)展最迅速應(yīng)用最廣泛的工業(yè)自動(dòng)控制裝置之一。它以其可靠性高、邏輯功能強(qiáng)、體積小、可在線修改控制程序、具有遠(yuǎn)程通信聯(lián)網(wǎng)功能、易于與計(jì)算機(jī)接口、能對(duì)模擬量進(jìn)行控制、具備高速計(jì)數(shù)與位控等高性能模塊等優(yōu)異性能,日益取代由大量繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)繼電器等組成的傳統(tǒng)繼電器-接觸器控制系統(tǒng),在機(jī)械、化工、電力、輕工等工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。盡管各國(guó)生產(chǎn)的PLC品種繁多,性能規(guī)模各異,但其主體均主要由微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、電源、輸出輸入組件等部分組成;各部分之間均采用總線連接。3.4系統(tǒng)的主電路原理圖圖3-3系統(tǒng)主電路原理圖主電動(dòng)機(jī)1M,功率為22KW,由SIMODRIVE611U控制其轉(zhuǎn)向,由接觸器1KM控制起停。2M為絲杠電機(jī),功率為22KW,由2KM1、2KM2控制其正、反轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)刀頭左右方向運(yùn)動(dòng)。3.5系統(tǒng)的I/O電路原理圖輸入圖3-4I/O輸入原理圖（1）圖3-5I/O輸出原理圖（2）3.6控制系統(tǒng)圖3-6控制系統(tǒng)原理圖3.7電柜設(shè)計(jì)機(jī)床廠在設(shè)計(jì)電柜時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng):(1)電柜應(yīng)有冷卻或通風(fēng)裝置，在使用風(fēng)扇時(shí)必須在進(jìn)氣窗口安裝防塵過濾網(wǎng)；(2)電柜中所有部件必須安裝在無油漆的鍍鋅金屬板上。(3)電柜的防護(hù)等級(jí)為IP54。(4)接地應(yīng)遵守國(guó)標(biāo)GB/T5226.1-2002/IEC60204-1:2000“機(jī)械安全機(jī)械電氣設(shè)備第三者部分；通用技術(shù)條件。(5)現(xiàn)聲沒有良好接地的情況下，應(yīng)斷開所有PE與24VDC零線（M24)的連接，使CNC控制器處于浮地狀態(tài)。(6)當(dāng)CNC控制器牌浮地狀態(tài)時(shí)，如果使用RS232接口，必須采用RS232隔離器（訂貨號(hào)：6FX2003-0DS00),否則會(huì)燒壞接口。(7)電柜中布線時(shí)，交流電源線（如85VAC,220VAC,380VAC,變頻器到主軸電機(jī)的電纜）必須與24VDC電纜和信號(hào)線電纜分開走線。(8)如果機(jī)床使用變頻器作為主軸驅(qū)動(dòng)單元，在設(shè)計(jì)電柜時(shí)應(yīng)考慮采取必要的搞干擾措施（主要是電源干擾和無線干擾）。(9)系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源24DVC之前需接入隔離變壓器（控制變壓器380VAC-220VAC,JBK3-400VA);步進(jìn)驅(qū)動(dòng)85VAC必須采用獨(dú)力的隔離變壓器（驅(qū)動(dòng)變壓器380VAC->85VAC,JBK3系列）。兩個(gè)變壓器的初級(jí)不可以接入到380VAC的同一相。(10)現(xiàn)場(chǎng)沒有良好接地的情況下，控制變壓器必須為浮地設(shè)計(jì)，但此時(shí)任何與CNC控制器連接的外設(shè)（如PC/PG),其220VAC電源必須連接到控制變壓器。3.8系統(tǒng)的電源電路原理圖3.8.1控制變壓器電柜中必須采用獨(dú)立的控制變壓器，給系統(tǒng)的24VDC供電?？刂谱儔浩鹘泳€如圖所示。圖3-7變壓器接線圖(1)U,