CA6140型普通車(chē)床數(shù)控化改造

CA6140型普通車(chē)床數(shù)控化改造[摘要]以C6140型普通車(chē)床為例，從機(jī)械和電氣方面詳細(xì)闡述了數(shù)控化改造的方法。改造后的車(chē)床投入使用后運(yùn)行穩(wěn)定，加工精度明顯提高，取得了極大的經(jīng)濟(jì)效益。[關(guān)鍵詞]普通車(chē)床；數(shù)控化改造；SINUMERIK802SbaselineNumericalControlTransformationofC6140CommonLatheAbstract：TakesCA6140typecommonlatheasanexample,hasexplainedtheNCtransformationmethodfrommachineryandelectrictworespectsindetail.Aftertransforming,thenewlatherunssteadily,themachiningaccuracyisobviouslyimproved,hasmadethegreattechnologicaleconomicbenefits.Keywords：commonlathe;NCtransformation;SINUMERIK802Sbaseline陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文PAGE第41頁(yè)共41頁(yè)目錄引言 1第一章概述 2第二章

總體方案的設(shè)計(jì) 42.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 42.2 總體方案的論證 42.3 總體方案的確定 42.4數(shù)控系統(tǒng)的選擇 5第三章機(jī)械部分改造 63.1機(jī)械傳動(dòng)方式 63.2數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 63.2.1選擇脈沖當(dāng)量: 63.2.2算切削力: 63.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型橫向進(jìn)給絲杠: 73.3.1計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm(N) 73.3.2計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C： 73.3.3選擇滾珠絲杠螺母副： 73.3.4傳動(dòng)效率計(jì)算： 73.3.5剛度驗(yàn)算 83.3.6校核 93.4齒輪傳動(dòng)比計(jì)算： 143.5步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型： 143.5.1等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算： 143.5.2電機(jī)力矩的計(jì)算機(jī)： 153.5.3步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率： 173.6縱向進(jìn)給系統(tǒng) 173.6.1設(shè)計(jì)參數(shù) 183.6.2齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 183.6.3滾珠絲杠的計(jì)算及選擇 183.6.4校核 203.7機(jī)械部分改造 233.8主軸脈沖編碼器的安裝 25第四章數(shù)控系統(tǒng)選擇 264.1西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 264.2數(shù)控連線圖 274.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制 274.3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制 284.3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制 294.3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的PLC傳動(dòng)控制 314.4PLC數(shù)控系統(tǒng)需解決的問(wèn)題 334.5PLC輸入、輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)確定 354.6驅(qū)動(dòng)程序（梯形圖）設(shè)計(jì) 354.6.1總程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 364.6.2手動(dòng)程序梯形圖設(shè)計(jì) 364.7電氣部分改造 36結(jié)論 39致謝 40參考文獻(xiàn) 41引言制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，其發(fā)展水平標(biāo)志著該國(guó)或地區(qū)經(jīng)濟(jì)的實(shí)力，科技水平，生活水準(zhǔn)和國(guó)防實(shí)力。國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)歸根到底是各國(guó)制造生產(chǎn)能力及機(jī)械制造裝備的競(jìng)爭(zhēng)。隨著機(jī)械制造生產(chǎn)模式的演變,對(duì)機(jī)械制造裝備提出了不同的要求.在50年代“剛性”生產(chǎn)模式下，通過(guò)提高效率，自動(dòng)化程度,進(jìn)行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”實(shí)現(xiàn)降低成本和提高質(zhì)量的目的。從90年代開(kāi)始，為了對(duì)世界生產(chǎn)進(jìn)行快速響應(yīng)，逐步實(shí)現(xiàn)社會(huì)制造資源的快速集成，要求機(jī)械制造裝備的柔性化程度更高,采用擬實(shí)制造和快速成形制造技術(shù)[1]。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都非常注重機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進(jìn)技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機(jī)械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對(duì)比之下，我國(guó)目前機(jī)械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機(jī)械制造裝備基本上是通用機(jī)床加專(zhuān)用工藝裝備，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強(qiáng),更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過(guò)多；自動(dòng)化程度基本上還是“一個(gè)工人，一把刀，一臺(tái)機(jī)床”，導(dǎo)致勞動(dòng)生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，要縮小我國(guó)同工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的差距,我們必須在機(jī)械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個(gè)方面就是增加數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重[1]。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到以下目的：1，培養(yǎng)綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)技能來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力；2，強(qiáng)化工程實(shí)踐能力和意識(shí),提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力；3，使本人受到從事本專(zhuān)業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練,提高工程繪圖、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻(xiàn)閱讀、使用計(jì)算機(jī)、使用文獻(xiàn)資和手冊(cè)、文字表達(dá)等各方面的能力；4，培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想和工程經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度以及積極向上的團(tuán)隊(duì)合作精神。第一章概述數(shù)控機(jī)床可以較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批及多變零件的加工問(wèn)題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，但是數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用也受到其他條件的限制。首先，數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，中小企業(yè)常是心有余而力不足；目前，各企業(yè)都有大量的普通機(jī)床。完全用數(shù)控機(jī)床替換根本不可能，而且被替代下的機(jī)床閑置起來(lái)又會(huì)造成浪費(fèi)；在國(guó)內(nèi)，訂購(gòu)新數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，往往不能滿足生產(chǎn)急需；要較好地解決上述問(wèn)題，應(yīng)走普通機(jī)床數(shù)控改造之路。低成本普通車(chē)床數(shù)控化改造是一項(xiàng)適合我國(guó)實(shí)際情況的先進(jìn)適用技術(shù)，也是一項(xiàng)提升我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率的有效途徑。在美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，生意盎然。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè)“永恒”的課題。我國(guó)的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。1.1機(jī)床數(shù)控化改造的必要性①?gòu)奶岣哔Y本效率出發(fā)，改造閑置設(shè)備，能發(fā)揮機(jī)床的原有功能和改造后的新增功能，從而提高機(jī)床的使用價(jià)值；②適用于多品種、小批量零件生產(chǎn)；③數(shù)控改造費(fèi)用低，減少了投資額，經(jīng)濟(jì)性好。數(shù)控改造費(fèi)用僅為新購(gòu)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的15％～25％，同購(gòu)置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省75％～85％的費(fèi)用。④力學(xué)性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限。所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄造，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用，應(yīng)此數(shù)控化改造使原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單；⑤熟悉了解設(shè)備、便于操作維修，降低了操作者的技術(shù)要求，更易提高管理水平；⑥可充分利用現(xiàn)有的條件。可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購(gòu)入新設(shè)備時(shí)那樣需重新地基；⑦可以采用最新的控制技術(shù)；⑧交貨期短，可滿足生產(chǎn)急需。機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行柔性自動(dòng)化控制的新一代機(jī)床－數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類(lèi)提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過(guò)程自動(dòng)化的理想手段。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時(shí)使人們對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)床傳動(dòng)及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機(jī)床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開(kāi)創(chuàng)機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先驅(qū)。數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對(duì)位置，機(jī)床電機(jī)的啟動(dòng)和停止，主軸變速，工件松開(kāi)和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動(dòng)作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)譯碼，運(yùn)算，發(fā)出各種指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。

1.2普通機(jī)床數(shù)控改造的主要優(yōu)點(diǎn)1.適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；

在數(shù)控機(jī)床上改變加工工件時(shí)，只需重新編制新工件的加工程序，就能實(shí)現(xiàn)新工件加工。

2.加工精度高；

3.生產(chǎn)效率高；

4.減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件；

5.良好的經(jīng)濟(jì)效益；

6.有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。

數(shù)控機(jī)床已成為我國(guó)市場(chǎng)需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國(guó)數(shù)控機(jī)床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上取得了明顯的進(jìn)步，特別是在機(jī)床的高速化、多軸化、復(fù)合化、精密化方面進(jìn)步很大。但是，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn)國(guó)家的同類(lèi)產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國(guó)家建設(shè)的需要。

我國(guó)是一個(gè)機(jī)床大國(guó)，有三百多萬(wàn)臺(tái)普通機(jī)床。但機(jī)床的素質(zhì)差，性能落后，單臺(tái)機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的1/10左右，差距太大，急待改造。

舊機(jī)床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)控制裝置，使其具有一定的自動(dòng)化能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。

隨著數(shù)控機(jī)床越來(lái)越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為大家所理解。在國(guó)內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機(jī)床的微機(jī)數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購(gòu)置數(shù)控機(jī)床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)經(jīng)濟(jì)資源有限，國(guó)家大，機(jī)床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購(gòu)買(mǎi)新型的數(shù)控機(jī)床，而我國(guó)的舊機(jī)床很多，用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機(jī)床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，比較符合我國(guó)的國(guó)情。

1984年，我國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機(jī)床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)?？梢灶A(yù)料，今后，機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說(shuō)，本畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)例具有典型性和實(shí)用性。第二章

總體方案的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)

本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì)CA6140普通車(chē)床工作臺(tái)進(jìn)行數(shù)控改造熟悉普通車(chē)床6140的工作臺(tái)基本傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（橫向和縱向）。利用微型計(jì)算機(jī)改造現(xiàn)有的普通車(chē)床，主要應(yīng)該解決的問(wèn)題是如何將機(jī)械傳動(dòng)的進(jìn)給和手動(dòng)控制的刀架轉(zhuǎn)位，進(jìn)給改造成由計(jì)算機(jī)控制的刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位以及自動(dòng)進(jìn)給的自動(dòng)加工機(jī)床，即經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床。

利用PLC對(duì)縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，縱向（Z向）脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，橫向（X向）脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架?？傮w方案的論證對(duì)于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)機(jī)床的改動(dòng)應(yīng)盡可能少，以降低成本。

（1）數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定

：數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。由于要求CA6140車(chē)床加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動(dòng)連續(xù)控制系統(tǒng)。

（2）伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)：數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。

因?yàn)殚_(kāi)環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。所以，本設(shè)計(jì)決定采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。

（3）數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

：任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行?？傮w方案的確定

經(jīng)總體設(shè)計(jì)方案的論證后，數(shù)控化改造設(shè)計(jì)時(shí),在滿足車(chē)床總體布局的前提下要盡可能利用原來(lái)的零部件,因此確定總體改造方案如下：(1)拆除原車(chē)床的縱向和橫向絲杠及光杠、溜板箱及掛輪箱中的齒輪，用滾珠絲杠替換原有普通滑動(dòng)絲杠，將選取的縱向滾珠絲杠副通過(guò)托架安裝在原溜板箱與床鞍連接的部位上，縱橫向滾珠絲杠兩端盡可能利用原固定和支承方式。為便于安裝滾珠絲杠副，絲杠采用分體式，用套筒聯(lián)軸器實(shí)剛性聯(lián)接；(2)橫向驅(qū)動(dòng)電機(jī)及齒輪減速器安裝在床鞍的后部(相對(duì)操作者)，縱向驅(qū)動(dòng)電機(jī)及齒輪減速裝置安裝在機(jī)床的右端，靠近尾座的位置；(3)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，需拆除原手動(dòng)刀架，在小拖板上安裝數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架；(4)為了使改造后的車(chē)床能夠加工螺紋，需要加裝主軸脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的同步檢測(cè)，編碼器安裝在掛輪箱內(nèi)；(5)為使加工過(guò)程中不超程，縱橫向要安裝行程限位開(kāi)關(guān)；(6)為實(shí)現(xiàn)回參考點(diǎn)的動(dòng)作，必須在縱橫向安裝接近開(kāi)關(guān)；(7)縱、橫向齒輪箱和絲杠全部加防護(hù)罩，以防臟物、油污和切屑等進(jìn)入，機(jī)床整體也要加裝防護(hù)罩，以防止加工過(guò)程中的切屑飛濺傷人；(8)考慮到改造的成本，盡可能采用可靠性高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。圖1為總體改造示意圖圖1總體改造示意圖1.橫向滾珠絲杠副2.橫向電機(jī)3.橫向減速器4.尾座5.縱向減速器6.縱向電機(jī)7.支架8.縱向滾珠絲杠副9.數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架10.主軸脈沖編碼器2.4數(shù)控系統(tǒng)的選擇選擇數(shù)控系統(tǒng)時(shí)主要是根據(jù)數(shù)控改造后機(jī)床要達(dá)到的各種精度、各種性能等選擇性價(jià)比合適的系統(tǒng),避免系統(tǒng)功能過(guò)剩,同時(shí)考慮到原車(chē)床的精度和改造成本、周期和難易程度等各方面因素,決定采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件、開(kāi)環(huán)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。SINUMERIK802Sbaseline是西門(mén)子公司專(zhuān)門(mén)為中國(guó)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)型CNC控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)緊湊,具有高度集成于一體的數(shù)控單元、機(jī)床操作面板和輸入輸出單元,機(jī)床調(diào)試配置數(shù)據(jù)少,容易改造成功。最終決定采用西門(mén)子經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK802Sbaseline。第三章機(jī)械部分改造3.1機(jī)械傳動(dòng)方式為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造橫向滾珠絲杠也采用一端固定，一端浮動(dòng)，三點(diǎn)支承的形式，也通過(guò)雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙，如圖5所示。橫向步進(jìn)電機(jī)1及減速器2安裝在床鞍的后部。靠近操作者一端，布置一根支撐短軸11，通過(guò)套筒聯(lián)軸器10與滾珠絲杠7連接起來(lái)。右端仍利用原支承橫向進(jìn)給絲杠的滑動(dòng)軸承支座作為徑向支承，并對(duì)原支承處作適當(dāng)改造，布置一對(duì)推力球軸承12,以承受雙向軸向力。左端則將原車(chē)床的懸空結(jié)構(gòu)改為支承結(jié)構(gòu)，用一個(gè)聯(lián)軸套4和一根連接短軸6把滾珠絲杠7與減速器輸出軸3連接起來(lái)，并通過(guò)一對(duì)圓螺母5實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)絲杠的預(yù)拉伸和鎖緊，以提高其軸向剛度。螺母通過(guò)螺母座9直接固定在中拖板8上。3.2數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算3.2.1選擇脈沖當(dāng)量:根據(jù)機(jī)床精度要求選擇脈沖當(dāng)量，縱向：0.01/mm步，橫向：0.005/mm步。3.2.2算切削力:縱車(chē)外圓時(shí)主切削力Fz（N）按經(jīng)驗(yàn)公式估算：Fz=0.67Dmax=0.67400=5360N

橫切端面時(shí)主切削力Fz（N）可取縱向主切削力的1/2：Fz=0.5Fz=2680N

按切削力各分力比例：Fz：Fy：Fx=1：0.25：0.4

Fx=26800.4=1072；

Fy=26800.25=670N；3.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型橫向進(jìn)給絲杠:3.3.1計(jì)算進(jìn)給牽引力Fm(N)橫向?qū)к墳檠辔残?，?jì)算：Fm=1.4Fy+F（Fz+2Fx+G）

其中：F為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.15-0.18取0.16

G為溜板及刀架重力：G=600N

Fm=1.4670+0.16（2860+21072+600）1806（N）3.3.2計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C：C=fF，其中：L=；

n=以上式中：L為滾珠絲杠導(dǎo)程，初選：L=5mm；

Vs為最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的：1/2-1/3，取1/2；

f為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)?。篺=1.2-1..5；取1.3；

L為壽命，106轉(zhuǎn)為41單位。n===30

L===27

C=fF=N3.3.3選擇滾珠絲杠螺母副：根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》（機(jī)械工業(yè)出版社出版發(fā)行）第一版上冊(cè)，CDM2005-2.5外循環(huán)管式墊片預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷為8541N可滿足要求，選定精度為3級(jí)3.3.4傳動(dòng)效率計(jì)算：=0.965式中：螺旋升角（CDM2005-2.5），

摩擦角，3.3.5剛度驗(yàn)算橫向進(jìn)給絲杠支承方式如橫向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)下圖所示：

圖2橫向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖最大牽引力為：2425N支承間距L=450mm因絲杠長(zhǎng)度較短，不需預(yù)緊，螺母及軸承預(yù)緊，計(jì)算如下：(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量：查圖4-6，根據(jù)Ｆ=1806Ｎ，查出：因此:

=(2)滾珠與螺紋滾道間接觸變形：查資料：，因進(jìn)行了預(yù)緊：

.(3)支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形:采用8012單向推力球軸承(GB301-84)，，，

考慮到進(jìn)行了預(yù)緊，以：

綜合以上幾項(xiàng)變形量之和：

顯然，此變形量已大于定位精度的要求!，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改設(shè)計(jì)，因橫向溜板空間限制，不宜再加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌減小摩擦力，從而減小最大牽引力。重新計(jì)算如下：

Fm=1.4Fy+F（Fz+2Fx+G）=1.4670+0.04（2860+21072+600）=1155N從資料中查出，當(dāng)Fm=1155時(shí)，，因此，和不變，所以綜合幾項(xiàng)變形量之和：

此變形量仍不能滿足要求，如果將滾珠絲杠再經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸!剛度還可以提高四倍，則，此變形量可以滿足設(shè)計(jì)要求。3.3.6校核滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓振動(dòng)固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度Ke由絲杠本身的拉壓剛度KS，絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度Kc，軸承的接觸剛度KB，螺母座的剛度KH，按不同支承組合方式的計(jì)算而定。扭轉(zhuǎn)剛度按絲杠的參數(shù)計(jì)算。（1）臨界壓縮負(fù)荷絲杠的支承方式對(duì)絲杠的剛度影響很大，采用兩端固定的支承方式并對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，可以最大限度地發(fā)揮絲杠的潛能。所以設(shè)計(jì)中采用兩端固定的支承方式[9]。臨界壓縮負(fù)荷按下式計(jì)算：(3.7)式中E——材料的彈性模量E鋼=2.1×1011(N/m2)；L0——最大受壓長(zhǎng)度(m)；K1——安全系數(shù)，取K1=1/3；Fmax——最大軸向工作負(fù)荷(N)；f1——絲杠支承方式系數(shù)；(支承方式為雙推——雙推時(shí)，見(jiàn)下圖，f1=4，f2=4.730)I——絲杠最小截面慣性矩(m4)：(3.8)式中d0——絲杠公稱(chēng)直徑(mm)；dw——滾珠直徑(mm)。絲杠螺紋部分長(zhǎng)度，取支承跨距，絲杠全長(zhǎng)由公式(3.7)可見(jiàn)遠(yuǎn)大于，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。（2）臨界轉(zhuǎn)速(3.9)式中A——絲杠最小橫截面：——臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度：取，——安全系數(shù)，一般取；——材料的密度：；——絲杠支承方式系數(shù)，查表得，滿足要求。（3）絲杠拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計(jì)算公式：兩端固定：(3.10)式中Ke——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)；KH——螺母座的剛度(N/μm)；Kc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)；KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)；KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度可查滾珠絲杠副型號(hào)樣本。軸承的接觸剛度可查軸承型號(hào)樣本。螺母座的剛度可近似估算為1000。絲杠本身的拉壓剛度：對(duì)絲杠支承組合方式為兩端固定的方式：(3.11)式中A——絲杠最小橫截面，；E——材料的彈性模量，E=2.11011(N/m2)；l——兩支承間距(m)；a——螺母至軸向固定處的距離(m)。已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛度，絲杠的最小拉壓剛度（見(jiàn)后面計(jì)算）。螺母座剛度。絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動(dòng)的固有頻率：(3.12)式中m——絲杠末端的運(yùn)動(dòng)部件與工件的質(zhì)量和(N/μm)；Ke——絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)。顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，能滿足要求。（4）絲杠扭轉(zhuǎn)剛度絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度按下式計(jì)算：(3.13)式中——絲杠平均直徑：L——絲杠長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率:(3.14)式中JW——運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量換算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；JZ——絲杠上傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；JS——絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)。由文獻(xiàn)[7，8]得：平移物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，可以滿足要求。（5）傳動(dòng)精度計(jì)算滾珠絲杠的拉壓剛度(3.15)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，L值分別為300mm和100mm。最大與最小機(jī)械傳動(dòng)剛度：最大和最小機(jī)械傳動(dòng)剛度：由于機(jī)械傳動(dòng)裝置引起的定位誤差為(3.16)對(duì)于3級(jí)滾珠絲杠，其任意300mm導(dǎo)程公差為，機(jī)床定位精度，所以，，可以滿足由于傳動(dòng)剛度變化所引起的定位誤差小于（1/31/5）機(jī)床定位精度的要求。再加上閉環(huán)反饋系統(tǒng)的補(bǔ)償，定位精度能進(jìn)一步提高[10]。滾珠絲杠副的幾何參數(shù)：滾絲杠副型號(hào)：CDM2005-2.5；公稱(chēng)直徑：；導(dǎo)程：；

鋼球直徑：；絲杠外徑：；螺紋底徑：；旋環(huán)列數(shù)圈數(shù)：；額定動(dòng)載荷；

額定靜載荷：；接觸剛度：螺母安裝尺寸：

3.4齒輪傳動(dòng)比計(jì)算：已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量:，滾珠絲杠導(dǎo)程：，初選步進(jìn)電機(jī)步距角計(jì)算傳動(dòng)比：

考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不能使齒輪直徑太大，以免影響橫向溜板的有效行程，所以，可采用兩級(jí)齒輪降速：

因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)取。3.5步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型：3.5.1等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算：傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算：

其中：為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

為齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

為齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；參考同類(lèi)型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：。

；代入上式：

考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問(wèn)題，基本滿足慣量匹配的要求。3.5.2電機(jī)力矩的計(jì)算機(jī)：機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)距不同，下面分別按各階段計(jì)算：快速空載啟動(dòng)力矩：起在快速空載啟動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下：

啟動(dòng)加速時(shí)間：

折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩：附加摩擦力距：

上述三項(xiàng)合計(jì)

（2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩：

（3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩：

從上面計(jì)算可以看出，、和三種工況下，以快速空載啟動(dòng)力矩最大，所以，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。查資料，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五項(xiàng)十拍時(shí)，；最大靜力矩：按此最大靜力矩，型反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為：大于所需最大靜力矩，作為初選型號(hào)。進(jìn)一步考核電機(jī)的啟動(dòng)頻率特征和運(yùn)行矩頻特征3.5.3步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率：根據(jù)《機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》（機(jī)械工業(yè)出版社），型反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為：允許的最高空載運(yùn)行頻率為：所以，必須采用升降速控制和高低壓驅(qū)動(dòng)電路。3.6縱向進(jìn)給系統(tǒng)縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造如圖2所示?？v向步進(jìn)電機(jī)1通過(guò)一對(duì)減速齒輪2把動(dòng)力傳遞給縱向滾珠絲杠3,再由滾珠絲杠螺母副拖動(dòng)工作臺(tái)4做往復(fù)移動(dòng)。原車(chē)床的進(jìn)給箱保留,滾珠絲杠左端仍然采用原固定支承結(jié)構(gòu)，支撐軸6通過(guò)套筒聯(lián)軸器5與滾珠絲杠相連，這種聯(lián)軸器用2個(gè)互相垂直的錐銷(xiāo)將支撐軸與絲杠聯(lián)接起來(lái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，徑向尺寸小,可防止被連接軸的位移和偏斜帶來(lái)的裝配困難和附加應(yīng)力。如圖3所示,滾珠絲杠右端仍利用原有的滑動(dòng)軸承承座4,通過(guò)一對(duì)深溝球軸承1實(shí)現(xiàn)徑向支承，絲杠左端通過(guò)一對(duì)圓螺母(圖中未畫(huà))3.6.1縱向最大行程（Z軸）650mm；工作進(jìn)給速度為115000mm/min；縱向快速進(jìn)給速度：15m/min；床鞍及其他的估計(jì)尺寸（長(zhǎng)寬高）：600mm300mm100mm；材料選為HT200。加工最大直徑:在床面上<400mm,在床鞍上<210mm;加工最大長(zhǎng)度:1000mm;溜板及刀架重力:縱向800N,橫向600N;刀架快速速度:縱向214mPmin,橫向112mPmin;最大進(jìn)給速度:縱向016mPmin,橫向013mPmin;主電動(dòng)機(jī)功率:715kW;起動(dòng)加速時(shí)間:30ms;機(jī)床定位精度:±01015mm。根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量,縱向:0.01mmP步;橫向：0.005mmP步(半徑)。已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量δp=0.01，滾珠絲杠導(dǎo)程L0=6mm3.6.2齒輪傳動(dòng)比計(jì)算，初選步進(jìn)電機(jī)步距角0175°,可計(jì)算出傳動(dòng)比i=0.8,可選定齒輪數(shù)為z1=32,z2=40?；騴1=20,z2=253.6.3滾珠絲杠的計(jì)算及選擇（1）滾珠絲杠導(dǎo)程的確定在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)和絲杠直接相連，傳動(dòng)比為，設(shè)電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為，則由公式(3.1)可得絲杠導(dǎo)程為：確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速：由公式(3.2)，最大進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速：最小進(jìn)給速度時(shí)絲杠的轉(zhuǎn)速：由公式(3.3)，絲杠等效轉(zhuǎn)速為：估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及工作臺(tái)承重：橫向工作臺(tái)質(zhì)量：床鞍及其他：總質(zhì)量：確定絲杠的等效負(fù)載：取滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為0.025，則絲杠所受的力為（如圖4.1所示）：(4.1)其等效負(fù)載可按公式(3.5)估算：確定絲杠所受的最大動(dòng)載荷：由公式(3.6)得：圖4.1受力分析查表選定絲杠為外循環(huán)插管式墊片預(yù)緊導(dǎo)珠管埋入型，型號(hào)：CDM2510-2.5。絲杠公稱(chēng)直徑為φ25mm，基本導(dǎo)程，其額定動(dòng)載荷，額定靜載荷，圈數(shù)列數(shù)=2.51，絲杠螺母副的接觸剛度為，絲杠底徑24.5mm，螺母長(zhǎng)度為125mm，取絲杠的精度為3級(jí)。在本設(shè)計(jì)中采用雙螺母墊片預(yù)緊。兩邊的軸承選為φ17mm與φ20mm。3.6.4校核（1）臨界壓縮負(fù)荷軸向固定的長(zhǎng)絲杠在承受壓縮負(fù)荷時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其壓桿穩(wěn)定性。臨界壓縮負(fù)荷按公式(3.7)(3.8)計(jì)算：絲杠螺紋部分長(zhǎng)度，取支承跨距，絲杠全長(zhǎng)可見(jiàn)遠(yuǎn)大于，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。（2）臨界轉(zhuǎn)速由公式(3.9)取，滿足要求。（3）絲杠拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率由公式(3.10)(3.11)(3.12)：已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛度，絲杠的最小拉壓剛度（見(jiàn)后面計(jì)算）。螺母座剛度。絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動(dòng)的固有頻率：顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，能滿足要求。（4）絲杠扭轉(zhuǎn)剛度絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度由公式(3.13)計(jì)算：由文獻(xiàn)[7,8]得：平移物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率按公式(3.14)計(jì)算:顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，可以滿足要求。（5）傳動(dòng)精度計(jì)算導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，L值分別為650mm和100mm。由公式(3.15)，最大與最小機(jī)械傳動(dòng)剛度：最大和最小機(jī)械傳動(dòng)剛度：由于機(jī)械傳動(dòng)裝置引起的定位誤差據(jù)公式(3.16)對(duì)于3級(jí)滾珠絲杠，其任意300mm導(dǎo)程公差為，機(jī)床定位精度，所以，，可以滿足由于傳動(dòng)剛度變化所引起的定位誤差小于（1/31/5）機(jī)床定位精度的要求。再加上閉環(huán)反饋系統(tǒng)的補(bǔ)償，定位精度能進(jìn)一步提高。（6）伺服電機(jī)計(jì)算扭矩的計(jì)算理論動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩查表知3級(jí)滾珠絲杠，而由公式(3.17)最大動(dòng)態(tài)摩擦力矩對(duì)于3級(jí)滾珠絲杠，，由式(3.18)3)驅(qū)動(dòng)最大負(fù)載所耗轉(zhuǎn)矩由公式(3.19)4)支承軸承所需啟動(dòng)扭矩查軸承表：對(duì)于的軸承，其，則。5)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副所需扭矩電機(jī)的額定扭矩（7）電機(jī)的選擇根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及文獻(xiàn)[12]，選擇電機(jī)型號(hào)為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。3.7機(jī)械部分改造(1)橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造橫向滾珠絲杠也采用一端固定，一端浮動(dòng)，三點(diǎn)支承的形式，也通過(guò)雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙，如圖5所示。橫向步進(jìn)電機(jī)1及減速器2安裝在床鞍的后部?？拷僮髡咭欢耍贾靡桓味梯S11，通過(guò)套筒聯(lián)軸器10與滾珠絲杠7連接起來(lái)。右端仍利用原支承橫向進(jìn)給絲杠的滑動(dòng)軸承支座作為徑向支承，并對(duì)原支承處作適當(dāng)改造，布置一對(duì)推力球軸承12,以承受雙向軸向力。左端則將原車(chē)床的懸空結(jié)構(gòu)改為支承結(jié)構(gòu)，用一個(gè)聯(lián)軸套4和一根連接短軸6把滾珠絲杠7與減速器輸出軸3連接起來(lái)，并通過(guò)一對(duì)圓螺母5實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)絲杠的預(yù)拉伸和鎖緊，以提高其軸向剛度。螺母通過(guò)螺母座9直接固定在中拖板8上。(2)縱向進(jìn)給系統(tǒng)改造：縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造如圖2所示?？v向步進(jìn)電機(jī)1通過(guò)一對(duì)減速齒輪2把動(dòng)力傳遞給縱向滾珠絲杠3,再由滾珠絲杠螺母副拖動(dòng)工作臺(tái)4做往復(fù)移動(dòng)。原車(chē)床的進(jìn)給箱保留,滾珠絲杠左端仍然采用原固定支承結(jié)構(gòu)，支撐軸6通過(guò)套筒聯(lián)軸器5與滾珠絲杠相連，這種聯(lián)軸器用2個(gè)互相垂直的錐銷(xiāo)將支撐軸與絲杠聯(lián)接起來(lái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，徑向尺寸小,可防止被連接軸的位移和偏斜帶來(lái)的裝配困難和附加應(yīng)力。如圖3所示,滾珠絲杠右端仍利用原有的滑動(dòng)軸承承座4,通過(guò)一對(duì)深溝球軸承1實(shí)現(xiàn)徑向支承，絲杠左端通過(guò)一對(duì)圓螺母(圖中未畫(huà)出)實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠的預(yù)拉伸和鎖緊。因此縱向滾珠絲杠的支承形式為一端固定，一端浮動(dòng),三點(diǎn)支承。滾珠絲杠采用雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙，調(diào)整方便。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)消隙齒輪2減速，減速器輸出軸用套筒聯(lián)軸器6與絲杠3(見(jiàn)圖2)聯(lián)接，固定銷(xiāo)3防止減速器轉(zhuǎn)動(dòng)。3.8主軸脈沖編碼器的安裝為了使改造后的車(chē)床能自動(dòng)加工螺紋,必須配置主軸脈沖編碼器作為車(chē)床主軸位置信號(hào)的反饋元件,其目的是用來(lái)檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)角的位置,通過(guò)主軸→脈沖編碼器→數(shù)控系統(tǒng)→步進(jìn)電機(jī)的信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),刀架縱向移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程的車(chē)螺紋運(yùn)動(dòng)。主軸脈沖編碼器的安裝,通常采用2種方式:①同軸安裝;②異軸安裝。同軸安裝的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是安裝后不能加工穿出車(chē)床主軸孔的零件,限制了零件的加工長(zhǎng)度,因此,宜采用異軸安裝。主軸通過(guò)主軸箱中58P58和33P33兩級(jí)齒輪(實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比1:1)把動(dòng)力傳遞給掛輪軸X,主軸編碼器1通過(guò)支架2固定,并通過(guò)聯(lián)軸器3與悶頭4相連,悶頭4通過(guò)過(guò)盈配合與主軸箱內(nèi)軸X連接,如圖6所示第四章數(shù)控系統(tǒng)選擇4.1西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能，設(shè)計(jì)中選擇SINUMERIK802D型號(hào)。其控制器：具有免維護(hù)性能的SINUMERIK802D，其核心部件-PCU（面板控制單元）將CNC、PLC、人機(jī)界面和通訊等功能集成于一體。可靠性高、易于安裝；SINUMERIK802D可控制4個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸。通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS將驅(qū)動(dòng)器、輸入輸出模塊連接起來(lái)；模塊化的驅(qū)動(dòng)裝置SIMODRIVE611Ue配套1FK6系列伺服電機(jī)，為機(jī)床提供了全數(shù)字化的動(dòng)力。通過(guò)視窗化的調(diào)試工具軟件，可以便捷地設(shè)置驅(qū)動(dòng)參數(shù)，并對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化；SINUMERIK802D集成了內(nèi)置PLC系統(tǒng)，對(duì)機(jī)床進(jìn)行邏輯控制。采用標(biāo)準(zhǔn)的PLC的編程語(yǔ)言Micro/WIN進(jìn)行控制邏輯設(shè)計(jì)。并且隨機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)的PLC子程序庫(kù)和實(shí)例程序，簡(jiǎn)化了制造廠設(shè)計(jì)過(guò)程，縮短了設(shè)計(jì)周期。

CNC功能：控制車(chē)床、鉆銑床；可控制4個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸；三軸聯(lián)動(dòng)，具有直線插補(bǔ)、平面圓弧插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)、空間圓?。–IP）插補(bǔ)等控制方式；螺紋加工、變距螺紋加工；旋轉(zhuǎn)軸控制；端面和柱面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（C軸功能）；前饋控制、加速度突變限制；程序預(yù)讀可達(dá)35段；刀具壽命監(jiān)控；主軸準(zhǔn)停，剛性攻絲、恒線速切削；FRAME功能（坐標(biāo)的平移、旋轉(zhuǎn)、鏡象、縮放）

操作單元：?jiǎn)紊?0.4"TFT顯示器，彩色為選件；全功能數(shù)控鍵盤(pán)具有水平安裝方式，和垂直安裝方式；標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床控制面板（選件）；三個(gè)手輪接口；RS232串行接口；生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線接口；標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)接口；PC卡插槽（用于數(shù)據(jù)備份和批量生產(chǎn)）

操作與顯示：帶有8個(gè)水平軟鍵和8個(gè)垂直軟鍵的直觀操作；對(duì)刀及刀具測(cè)量，工件坐標(biāo)系測(cè)量，基本坐標(biāo)偏移；MDA方式端面加工；程序段搜索運(yùn)行；坐標(biāo)軸鎖定、快速空運(yùn)行；后臺(tái)編程；加工外部程序（通過(guò)串行接口）；示波器、袖珍計(jì)算器、和工件計(jì)數(shù)器；兩種語(yǔ)言在線切換；16種語(yǔ)言可選擇安裝；在線公英制切換；機(jī)床坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、和相對(duì)坐標(biāo)系顯示；加工軌跡實(shí)時(shí)顯示（可辨認(rèn)快速和加工軌跡）；在線幫助；有效G功能和M功能顯示；坐標(biāo)位置、余程以及各軸速度顯示

零件編程：標(biāo)準(zhǔn)G代碼編程（DIN66025）和西門(mén)子高級(jí)語(yǔ)言編程；ISO標(biāo)準(zhǔn)編程；車(chē)削、銑削工藝循環(huán)編程；藍(lán)圖編程；極坐標(biāo)編程；程序存儲(chǔ)器容量達(dá)340K字節(jié)

PLC：采用標(biāo)準(zhǔn)的S7-200編程語(yǔ)言Micro/WIN；梯圖編程；梯圖在線顯示；PLC遠(yuǎn)程診斷；完全漢化的PLC編程工具隨機(jī)提供；隨機(jī)提供PLC子程序和用于車(chē)床銑床的PLC應(yīng)用程序?qū)嵗?；PLC的處理速度是6000步/24毫秒；40個(gè)定時(shí)器，32個(gè)計(jì)數(shù)器；數(shù)字輸入輸出為144/96。4.2數(shù)控連線圖其連線圖如圖2.1所示。圖2.1數(shù)控系統(tǒng)連線4.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程一般由控制器控制，控制器按照設(shè)計(jì)者的要求完成的一定控制過(guò)程，按照要求的規(guī)律驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。簡(jiǎn)單的控制過(guò)程可以用各種邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但其缺點(diǎn)是線路復(fù)雜，控制方案改變困難；自從微處理器問(wèn)世以來(lái)，給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)開(kāi)辟新的途徑。各種單片機(jī)的迅猛發(fā)展和普及應(yīng)用，為設(shè)計(jì)功能很強(qiáng)而價(jià)格低廉的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器提供了先進(jìn)的技術(shù)。4.3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制使用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制有串行和并行兩種方式。1、串行控制具有串行控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間具有較少的連線。這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源必須含有環(huán)行分配器。這種控制方式的功能框圖如圖3．25所示。圖3．25串行控制功能框圖2、開(kāi)環(huán)控制用微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)條端口線直接去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱(chēng)為并行控制。在電動(dòng)機(jī)電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，而其功能必須由微機(jī)系統(tǒng)完成。由系統(tǒng)是想脈沖分配器的功能又有兩種方法:一種是軟件法，即全用編程來(lái)實(shí)現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止的控制信號(hào)，主要有寄存器移位法和查表法；第二種是軟件、硬件結(jié)合的方法，有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的編程器接口，計(jì)算機(jī)相接口輸出簡(jiǎn)單形式的代碼數(shù)據(jù)，而接口輸出的是電動(dòng)機(jī)各相導(dǎo)通或截止的控制信號(hào)。并控制方案的功能框圖如圖3．26所示。3．26并行控制功能框圖3、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖頻率或者換相的周期。系統(tǒng)可用兩種方法來(lái)確定脈沖的周期：一種是軟件延時(shí)，另一種是用定時(shí)器。軟件延時(shí)的方法是通過(guò)調(diào)用延時(shí)子程序的方法實(shí)現(xiàn)的，它占用CPU時(shí)間；定時(shí)器方法是通過(guò)設(shè)置定時(shí)時(shí)間常數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速控制對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)一位控制系統(tǒng)，從起點(diǎn)至終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定要求。如果要求運(yùn)行的速度小于系統(tǒng)極限起動(dòng)頻率，則系統(tǒng)可以按要求的速度直接起動(dòng)，運(yùn)行至終點(diǎn)后可直接停發(fā)脈沖串而令其停止。系統(tǒng)在這樣的運(yùn)行方式下速度可認(rèn)為是恒定的。但在一般的情況下：系統(tǒng)的極限起動(dòng)頻率是比較低的，，而要求的運(yùn)行速度往往很高。如果系統(tǒng)以要求的速度直接起動(dòng)，因?yàn)樵撍俣纫呀?jīng)超過(guò)極限起動(dòng)頻率而不能正常起動(dòng)，可能發(fā)生丟步或根本不能運(yùn)行起來(lái)之后，如果到達(dá)終點(diǎn)時(shí)突然停發(fā)脈沖串，令其立即停止，則因?yàn)橄到y(tǒng)的慣性原因，會(huì)發(fā)生沖過(guò)終點(diǎn)的現(xiàn)象，使點(diǎn)一位控制發(fā)生偏差。因此在點(diǎn)一位控制過(guò)程中，運(yùn)行速度都需要有一個(gè)“加速一恒速一減速一低恒速一停止”的加減速過(guò)程，如圖3．27所示。各種系統(tǒng)在工作過(guò)程中，都要求加減速過(guò)程時(shí)間盡量短，而恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點(diǎn)至終點(diǎn)運(yùn)行的時(shí)間要求最短，這就必須要求加速、減速的過(guò)程最短，而恒速時(shí)的速度最高。升速規(guī)律一般可有兩種選擇：一是按照直線規(guī)律升速；二是按指數(shù)規(guī){速時(shí)加速度為恒定，因此要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。從電動(dòng)機(jī)席轉(zhuǎn)速不是很高的范圍內(nèi)，輸出的轉(zhuǎn)矩將有所下降，如按指數(shù)規(guī)律升速，加速電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是改變輸出脈沖的盱沖串逐漸加密，減速時(shí)使脈沖串逐漸疏稀。微機(jī)用定時(shí)器中斷方式來(lái)控鋃就是不斷改變定時(shí)器裝載值的大小。一般用離散方法來(lái)逼近理想的升降；計(jì)算裝載值的時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就把各離散點(diǎn)的速度所需的裝載值固化宅運(yùn)行中用查表方法查出所需的裝載值，從而大大減少占用CPU時(shí)間，提高系統(tǒng)在執(zhí)行升降速的控制過(guò)程中，對(duì)加減速的控制還需準(zhǔn)備下列數(shù)圭|升速過(guò)程的總步數(shù)；③恒速運(yùn)行總步數(shù)；④減速運(yùn)行的總步數(shù)。對(duì)升降速過(guò)程的控制有很多種方法，軟件編程也十分靈活，技巧很多。集成電路也可實(shí)現(xiàn)升降速控制，但缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來(lái)較復(fù)雜且不靈活。4.3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制在進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要完成兩項(xiàng)任務(wù)：一是傳遞轉(zhuǎn)矩，它應(yīng)克服機(jī)床工作臺(tái)與導(dǎo)軌間的摩擦力及切削阻力等負(fù)載轉(zhuǎn)矩，通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)，按指令要求快速進(jìn)退或切削加工是傳遞信息，即根據(jù)指令要求精確定位，接收一個(gè)脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)固定的角度，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，使之按規(guī)定方向移動(dòng)一個(gè)脈沖當(dāng)量的距離。因此指令脈沖總數(shù)也就決定機(jī)床的總位移量，而指令脈沖頻率決定了工作臺(tái)的移動(dòng)速度。每臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可驅(qū)動(dòng)一個(gè)坐標(biāo)的伺服機(jī)構(gòu)，利用兩個(gè)或三個(gè)坐標(biāo)軸連動(dòng)就能加工出一定形狀來(lái)。圖3．33所示為數(shù)控銑床工作原理框圖。在這種開(kāi)環(huán)數(shù)控機(jī)床中，由于計(jì)算機(jī)的速度精度都很高，完全能滿足數(shù)控機(jī)床高速度、高精度的要求；因而數(shù)控機(jī)床的精度好壞和速度快慢完全取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的伺服系統(tǒng)性能。只要步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的選擇及應(yīng)用圖3．33數(shù)控銑床工作原理框圖得當(dāng)，可以滿足一般數(shù)控銑床速度和精度的要求。下面介紹步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系筆控立式升降臺(tái)銑床中的應(yīng)用實(shí)例。(1)機(jī)床的功能及主要參數(shù)XK5040數(shù)控立式銑床，適用于加工各種復(fù)雜曲線的凸輪、樣板、靠模、弧形槽等平面或立體零件。1)機(jī)床主要參數(shù)工作臺(tái)尺寸(長(zhǎng)×寬)：1600㎜×400㎜工作行程：縱向(x坐標(biāo))900㎜橫向(y坐標(biāo))400㎜垂向(z坐標(biāo))300㎜主軸速度：400～200r/min，18級(jí)工作臺(tái)進(jìn)給速度：10～1200mm/min快速進(jìn)給速度：1200mm定位精度：x、y坐標(biāo)0.02/300㎜z坐標(biāo)0．03/300㎜系統(tǒng)精度：x、y坐標(biāo)±0.01㎜坐標(biāo)±0.015㎜加工精度及表面粗糙度：±O.05㎜，Ra≤2.52)數(shù)控部分主要參數(shù)伺服控制方式：開(kāi)環(huán)控制坐標(biāo)數(shù)：三坐標(biāo)(同時(shí)控制坐標(biāo))插補(bǔ)原理及方式：逐步比較法及直線圓弧插補(bǔ)數(shù)字記憶方式：增量法脈沖當(dāng)量：0．005mm/步最大指令值：圓弧2500turn/程序數(shù)直線5000ram/程序數(shù)刀具位置補(bǔ)償裝置：刀具半徑范圍0。50眥n反向間隙補(bǔ)償：0．075mm輸入代碼：ISO制，8位紙帶50行/s伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)：功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)升降頻時(shí)問(wèn)：r：130111s(2)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)1)本機(jī)主要特點(diǎn)是x、y、z三坐標(biāo)均采用功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)兩對(duì)齒輪減速器直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給絲杠。x、y坐標(biāo)各選用一臺(tái)160BF6×1．5一IOOD型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；z坐標(biāo)選用一臺(tái)16BF6×1.5－300D型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。2)三坐標(biāo)功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均采用300/12V高頻晶閘管驅(qū)動(dòng)電源，通電方式為三相六拍。該驅(qū)動(dòng)電源采用單脈沖定能量驅(qū)動(dòng)，切換能力強(qiáng)，重復(fù)工作頻率高，并有較好的起動(dòng)性能和帶負(fù)載能力。3)銑床在自動(dòng)升降頻過(guò)程中，可以切削加工。為了保證刀具移動(dòng)的實(shí)際軌跡與指令一致，必須使聯(lián)動(dòng)各坐標(biāo)的升降頻時(shí)間嚴(yán)格相等。一般均采用數(shù)字式升降頻電路。本系統(tǒng)采用了固定時(shí)間常數(shù)的指令型升降頻電路。系統(tǒng)電路圖從略。(3)應(yīng)用效果禾進(jìn)給系統(tǒng)采用功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，加工的100㎜的圓度公差在0.04㎜以內(nèi)，加反向間隙補(bǔ)償后可控制在0．02㎜～0.03㎜范圍內(nèi)。表面粗糙度Ra≤2.5。2)采用了手動(dòng)快速和r=130ms的自動(dòng)升降頻電路，切削進(jìn)給速度可達(dá)1.2m/min；快速進(jìn)給可達(dá)到4.3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的PLC傳動(dòng)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)控制完全可以用PLC的應(yīng)用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如36BF02型反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),其電壓為27V，每相靜態(tài)電流為0.5A，采用三相六拍通電方式，可用第2章介紹的F1系列PLC實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)速控制、正反轉(zhuǎn)控制和步數(shù)控制。(1)接線圖和控制程序梯形圖按照PLC應(yīng)用的設(shè)計(jì)步驟，根據(jù)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)出PLC控制系統(tǒng)的實(shí)際接線圖，如圖3．34所示。設(shè)計(jì)的PLC梯形圖程序如圖3．35所示。圖3．34三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)PLC傳動(dòng)控制接線圖(2)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制圖圖3．35三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)PLC傳動(dòng)控制梯形圖程序?qū)D3.35所示的三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制梯形圖程序轉(zhuǎn)換為指令字程序?qū)懭隤LC主機(jī)并模擬動(dòng)作運(yùn)行成功后，即可接人步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，合上SA帶負(fù)載運(yùn)行。1)轉(zhuǎn)速控制。接通快速開(kāi)關(guān)S1，再接通起動(dòng)開(kāi)關(guān)SO。脈沖控制器產(chǎn)生周期為0.1S的脈沖，使位移產(chǎn)生六拍時(shí)序脈沖。通過(guò)三相六拍環(huán)行分配器使三個(gè)輸出繼電器照單雙六拍的通電方式接通，其接通順序在電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)為：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序?yàn)椋?、UVV、WWW、VU斷開(kāi)輸入開(kāi)關(guān)、S1，接通慢速1開(kāi)關(guān)s2后，再接通起動(dòng)開(kāi)關(guān)S0。脈沖控制器產(chǎn)生周期為10s的控制脈沖，輸出繼電器Y430、Y431、Y432接通順序不變，但間隔時(shí)間增長(zhǎng)為1s，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減慢。斷開(kāi)輸入開(kāi)關(guān)S2、S0，接通慢速2開(kāi)關(guān)s3后，再接通起動(dòng)開(kāi)關(guān)S0。脈沖控制器產(chǎn)生周期為10s出繼電器Y430、Y431、Y432接通順序不變，但間隔時(shí)間增長(zhǎng)為10s，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速更慢。2)反轉(zhuǎn)控制。斷開(kāi)輸入開(kāi)關(guān)S3、SO；接通正反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)S4后，再次重復(fù)上述快速、慢速1、慢速2、的三個(gè)輸出繼電器Y430、Y431、Y432的順序?yàn)椋篩431→Y430、Y430→Y430→Y430、Y432→Y432→Y432、Y431→Y431步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序?yàn)椋篤→V、U→U→U、W→W→W、V→V該通電順序與前面介紹的正轉(zhuǎn)時(shí)通電順序正好相反，它對(duì)應(yīng)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)運(yùn)行。3）歩數(shù)控制將全部輸入開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，然后接通步數(shù)開(kāi)關(guān)(若選擇10步控制，則接通S7；若選擇100步控制，則接通S6)；再接通起動(dòng)開(kāi)關(guān)S0，使移動(dòng)寄存器的數(shù)據(jù)輸入端接通。設(shè)轉(zhuǎn)速控制選擇為速度1，則接通S2，起動(dòng)脈沖控制器產(chǎn)生周期為1s的控制脈沖；六拍時(shí)序脈沖分配器開(kāi)始工作；計(jì)數(shù)器同時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)走完預(yù)定步數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)器動(dòng)作，其動(dòng)斷接點(diǎn)斷開(kāi)移位寄存器的移位輸入端，六拍時(shí)序脈沖、三相六拍環(huán)形分配器及正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)停止工作,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，鎖存在最后一步的位置上。改變PLC的控制程序，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)靈活多變的運(yùn)行方式。4.4PLC數(shù)控系統(tǒng)需解決的問(wèn)題車(chē)床的操作過(guò)程比較復(fù)雜，而PLC一般只適用于動(dòng)作的順序控制。要將PLC用于控制車(chē)床動(dòng)作，必須解決三個(gè)問(wèn)題：如何產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的信號(hào)及X、Z向動(dòng)作的協(xié)調(diào)；車(chē)螺紋如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)及螺紋導(dǎo)程的變化；如何改變進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)度。將PIC及其控制模塊和相應(yīng)的執(zhí)行元件組合，這些問(wèn)題是可以解決的。數(shù)控系統(tǒng)的控制原理普通車(chē)床數(shù)控化改造工作就是將刀架，X,Z向進(jìn)給改為數(shù)控控制。根據(jù)改造特點(diǎn)，伺服元件采用步進(jìn)電機(jī)，實(shí)行開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)就能滿足要求。Z向脈沖當(dāng)量取0.01mm，X向脈沖當(dāng)量取0.005mm。選用晶體管輸出型的PLC。驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)由編程產(chǎn)生，通過(guò)程序產(chǎn)生不同頻率脈沖實(shí)現(xiàn)變速。X,Z向動(dòng)作可通過(guò)輸入手動(dòng)操作或程序自動(dòng)控制。車(chē)螺紋的脈沖信號(hào)由主軸脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，通過(guò)與電路接入PLC輸入端，經(jīng)PLC程序變頻得到所需導(dǎo)程的脈沖。刀架轉(zhuǎn)位，車(chē)刀進(jìn)，退可由手動(dòng)或自動(dòng)