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長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 I 摘要 由于生產(chǎn)發(fā)展的需要，機床對加工精度、生產(chǎn)效率提出更高的要求。機床在結 構上發(fā)生改變，床身也增大了，尤其對加工尺寸要求相應的增多。 本設備主要是用來對大直徑的圓形零部件在圓周上進行銑削加工和規(guī)定位置上 進行銑平面或鉆孔,它的主要控制系統(tǒng)由 Siemens 的 SINUMERIC 802C base line 控 制,由流水線上的 PLC 信號進行引導,利用光柵尺作為反饋信號。 在本次設計的過程中,采用了易于控制的步進電機作為動力裝置,控制方式采用 閉環(huán)控制,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。機械執(zhí) 行機構采用滾珠絲杠副結構完成機床的橫、豎向運動，機械導向機構則采用滾珠導 軌和滑動導軌相結合的方式完成橫、豎向導向運動。 數(shù)控機床是新型的自動化機床，它具有廣泛通用性和很高的自動化程度。數(shù)控 機床實現(xiàn)柔性自動化重要的裝置，是發(fā)展柔性生產(chǎn)的基礎。數(shù)控機床在零件的加工 中，更能顯示出它的優(yōu)越性。 關鍵詞 大直徑圓形零部件；閉環(huán)控制；步進電機 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 II Abstract Due to production development needs, machine machining precision and efficiency of production to put forward higher requirement. Machine tools on the structure change, lathe bed also increased, especially for processing dimensional requirements corresponding increase This equipment mainly for the large-diameter circle in the round parts on the specified location and milling on the plane or milling drilling, the main control system uses the Siemens SINUMERIC 802C base line controlled by the PLC signal on the line as a guide , Using grating feedback device as a signal. In the design process, is powered by an easy control of the stepper motor, control methods for closed-loop control, sensors using high precision, use the more common types of foot grating feedback as a closed-loop control components. Machinery implementing agencies to complete the structure of a ball screw machine horizontal, vertical movement, machine-oriented organizations to adopt Ball Guides and sliding rails completion of a combination of horizontal and vertical orientation. NC machine tools is a new type of automated machine tools, it has a wide range of generic and a high degree of automation. CNC machine tools to achieve flexible automation equipment important is the development of flexible production base. NC machine tool parts in the processing, it can show the superiority Keywords Large-diameter circular parts；closed- loop control； step-by-step the electrical machinery 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 III 目 錄 1 概 述 ............................................................................................................................1 1.1 緒論 ...........................................................................................................................1 1.2 數(shù)控技術的發(fā)展水平和趨勢 ..................................................................................2 1.2.1 國內(nèi)數(shù)控機床的發(fā)展水平 .............................................................................2 1.2.2.數(shù)控技術的發(fā)展狀況及水平 .........................................................................3 1.3 系統(tǒng)方案設計 ...........................................................................................................6 1.4 系統(tǒng)內(nèi)容設計 ...........................................................................................................6 2 機械部分的設計與計算 ..................................................................................................7 2.1 導向機構的設計 ......................................................................................................7 2.2 執(zhí)行機構的設計 ......................................................................................................7 2.2.1 豎向運動裝置 .................................................................................................7 2.2.2 橫向運動裝置 .................................................................................................8 2.3 傳動機構設計和計算 ..............................................................................................8 2.3.1 縱向運動裝置 ................................................................................................8 2.3.2 橫向運動裝置 ..............................................................................................10 2.3.3 伺服電機的設計、校驗 ..............................................................................13 2.3.4 傳動齒輪的設計與校驗 ..............................................................................17 3 電控部分設計 ................................................................................................................20 3.1 SINUMERIK 802C base line 的系統(tǒng)介紹 .............................................................20 3.2 系統(tǒng)的電氣組成原理示意圖 .................................................................................21 3.3 可編程序控制器(PLC)及其應用 ...........................................................................21 3.4 系統(tǒng)的主電路原理圖 .............................................................................................22 3.5 系統(tǒng)的 I/O 電路原理圖 .......................................................................................................22 3.6 控制系統(tǒng) .................................................................................................................25 3.7 電柜設計 .................................................................................................................26 3.8 系統(tǒng)的電源電路原理圖 .........................................................................................27 3.8.1 控制變壓器 ...................................................................................................27 3.8.2 I/O 系統(tǒng)電源及輔助控制電路 .....................................................................28 3.9 光柵尺的基本原理 ................................................................................................28 3.10 運行程序 ...............................................................................................................30 結 論 ..............................................................................................................................47 設計體會 ..........................................................................................................................48 致 謝 ................................................................................................................................49 參考文獻 ..............................................................................................................................50 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 1 1 概 述 1.1 緒論 從 20 世紀中葉數(shù)控技術出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變 化。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者 勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高。數(shù)控 機床是一種高度機電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、 精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關鍵零件、 要求精密復制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求 100%檢驗的零件。 數(shù)控機床的特點及其應用范圍使其成為國民經(jīng)濟和國防建設發(fā)展的重要裝備。 目前，在國內(nèi)的數(shù)控機床中, 大都是加工直徑比較小的領部件，而那些大直 徑的零部件都很難加工，本設計正是為了解決這一問題，能夠對大直徑圓形零部 件在圓周上進行銑削和在規(guī)定位置上銑平面或鉆孔，全部過程為數(shù)控系統(tǒng)進行控 制，通過流水線上的 PLC 信號引導，利用光柵尺作為反饋信號。 數(shù)控機床是新型的自動化機床，它具有廣泛通用性和很高的自動化程度。數(shù) 控機床實現(xiàn)柔性自動化重要的裝置，是發(fā)展柔性生產(chǎn)的基礎。數(shù)控機床在下面一 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； 幾何形狀復雜的零件；在加工過程中必須進行多種加工的零件；切削余量大的零 件；必須控制公差（即公差帶范圍?。┑牧慵?；工藝設計會變化的零件；加工過 程中的錯誤會造成嚴重浪費的貴重零件；需全部檢測的零件，等等。度。數(shù)控機 床的優(yōu)點：提高生產(chǎn)率；穩(wěn)定產(chǎn)品質量；有廣泛的適應性和較大的靈活性；可以 實現(xiàn)一機多用；提高經(jīng)濟效益；不需要專用夾具；大大地減輕了工人的勞動強度。 數(shù)控機床是計算機輔助設計與制造（CAD/CAM） ，群控（DNC）,柔性制造系統(tǒng) （FMS） 。計算機繼承制造系統(tǒng)（CIMS）等柔性加工和柔性制造系統(tǒng)的基礎。數(shù)控 機床是具有廣泛的通用性而又具有很高自動化程度的全新型機床。它的控制系統(tǒng) 不僅能控制機床各種動作的先后順序，還能控制機床運動部件的運動速度，以及 刀具相對工件的運動軌跡。 數(shù)控技術和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎。這個基礎是否牢固直接 影響到一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和綜合國力，關系到一個國家的戰(zhàn)略地位。因此，世 界上各工業(yè)發(fā)達國家均采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術及其產(chǎn)業(yè)。 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 2 1.2 數(shù)控技術的發(fā)展水平和趨勢 1.2.1 國內(nèi)數(shù)控機床的發(fā)展水平 我國從 1958 年開始研究數(shù)控技術，一直到 60 年代中期處于研制、開發(fā)時期。 當時，一些高等院校、科研單位研制出試驗性樣機，開始也是從電子管著手的。 1965 年，國內(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、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)控技術在車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領域全 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 一時期，數(shù)控線切割機床由于結構簡單、使用方便、價格低廉，在磨具加工中得到 了推廣。 80 年代，我國從日本發(fā)那科（FANUC）公司引進了 5，7，3 等系列的數(shù)控系統(tǒng) 和直流伺服電機，直流主軸電機技術，以及從美國、德國等國引進了一些新技術。 并進行了商品化生產(chǎn)，這些系統(tǒng)可靠性高，功能齊全。推動了我國數(shù)控機床穩(wěn)定的 發(fā)展，使我國的數(shù)控機床在性能和質量上產(chǎn)生了一個質的飛躍。 1985 年，我國數(shù)控機床的品種有了新的發(fā)展。數(shù)控機床的品種不斷增多，規(guī)格 齊全。許多技術復雜的大型數(shù)控機床、重型數(shù)控機床都相繼研制出來。為了跟蹤國 外技術的發(fā)展，北京機床研究所研制出了 JCS-FM-1、2 型的柔性制造單元和柔性制 造系統(tǒng)。這個時期，我國在引進、消化國外技術的基礎上，進行了大量開發(fā)工作。 一些較高檔次的數(shù)控系統(tǒng)（五軸聯(lián)動） 、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。 現(xiàn)在，我國已經(jīng)建立了以中、低檔數(shù)控機床為主的產(chǎn)業(yè)體系。90 年代將向高檔 數(shù)控機床發(fā)展。 我國近幾年數(shù)控機床雖然發(fā)展較快，但與國際先進水平還存在一定的差距，主 要表現(xiàn)在：可靠性差，外觀質量差，產(chǎn)品開發(fā)周期長，應變能力差。為了縮小與世 界先進水平的差距，有關專家建議機床企業(yè)應在以下 6 個方面著力研究： 1．加大力度實施質量工程，提高數(shù)控機床的無故障率。 2．跟蹤國際水平，使數(shù)控機床向高效高精方面發(fā)展。 3．加大成套設計開發(fā)能力上求突破。 4．發(fā)揮服務優(yōu)勢，擴大市場占有率。 5．多品種制造，滿足不同層次的用戶。 6．模塊化設計，縮短 開發(fā)周期，快速響應市場。 數(shù)控機床使用范圍越來越大，國內(nèi)國際市場容量也越來越大，但競爭也會加劇， 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 3 我們只有緊跟先進技術進步的大方向，并不斷創(chuàng)新，才能趕超世界先進水平。 1.2.2. 數(shù)控技術的發(fā)展狀況及水平 隨著科學技術不斷發(fā)展，數(shù)控機床的發(fā)展也越來越快，數(shù)控機床也正朝著高性 能、高精度、高速度、高柔性化和模塊化方向發(fā)展。 高性能：隨著數(shù)控系統(tǒng)集成度 的增強，數(shù)控機床也實現(xiàn)多臺集中控制，甚至遠距離遙控。高精度：數(shù)控機床本身 的精度和加工件的精度越來越高，而精度的保持性要好。高速度：數(shù)控機床各軸運 行的速度將大大加快。高柔性：數(shù)控機床的柔性化將向自動化程度更高的方向發(fā)展， 將管理、物流及各相應輔機集成柔性制造系統(tǒng)。模塊化：數(shù)控機床要縮短周期和降 低成本，就必然向模塊化方向發(fā)展，這既有利于制造商又有利于客戶。 隨著科學技術的發(fā)展，制造技術的進步，以及社會對產(chǎn)品質量品種多樣化的要 求越來越強烈。中、小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，要求現(xiàn)代數(shù)控機床成為一種高效 率、高質量、高柔性和低成本的新一代制造設備。同時，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），以及計算機集成制造系 統(tǒng)（CIMS）提供基礎設備，也要求數(shù)控機床向更高水平發(fā)展。這些要求主要有數(shù)字 控制技術的發(fā)展來實現(xiàn)。數(shù)控技術體現(xiàn)在數(shù)控裝置、伺服驅動系統(tǒng)、程序編制、機 床主機和檢測監(jiān)控系統(tǒng)等方面： （一）數(shù)控裝置 推動數(shù)控技術發(fā)展的關鍵因素是數(shù)控裝置。由于微電子技術的發(fā)展，當今占絕 對優(yōu)勢的微型計算機數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展非常快，其技術發(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,并且開始采用精簡指令集運算芯片 RISC 作為 主 CPU，進一步提高了運算速度。采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路和多個微處理器， 使結構模塊化、標準化和通用化，使其數(shù)控功能根據(jù)用戶需要進行任意組合和擴展。 2.具有強功能的內(nèi)裝式機床可編程控制器，用梯形圖語言，C 語言或 Pascal 語 言進行編程。在 CNC 和 PC 之間有高速窗口，它們有機地結合起來。除能完成開關量 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?？梢詫崿F(xiàn)幾臺數(shù)控機床之間的數(shù)據(jù)通訊，也可 以直接對幾臺數(shù)控機床進行控制。 現(xiàn)代數(shù)控機床，為了適應自動化技術的進一步發(fā)展，適應工廠自動化規(guī)模越來 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 4 越大的要求，紛紛采用 MAP 等高級工業(yè)控制網(wǎng)絡，實現(xiàn)不同廠家和不同類型機床的 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（SMT），實現(xiàn)了三維高密度安裝工藝。 元器件經(jīng)過嚴格篩選，建立由設計、試制到生產(chǎn)的一整套質量保證體系，使得數(shù)控 裝置的平均無故障時間 MTBF=10000-36000 小時。 （二）伺服驅動系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分。與數(shù)控裝置相配合，伺服系統(tǒng)的靜態(tài)和 動態(tài)特性直接影響機床的定位精度、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。伺服電機的位置、速度及電流環(huán)都實現(xiàn)了數(shù)字化。并采用 了新的控制理論，實現(xiàn)了不受機械負荷變動影響的高速響應系統(tǒng)。其發(fā)展的技術如 下： 1.前饋控制技術。過去的伺服系統(tǒng)，是把檢測器信號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 工及圓弧加工時精度惡化。所謂前饋控制就是在遠來的控制系統(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.機械靜止摩擦的非線性控制技術。對于一些具有較大精致摩擦的數(shù)控機床， 新型的數(shù)字伺服系統(tǒng)具有補償機床驅動系統(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。為適應不同類型的機床，不 同精度和不同速度的要求，預先調整加、減速性能。 4.采用高分辨率的位置檢測裝置。如高分辨率的脈沖編碼器，內(nèi)有微處理器組 成的細分電路，使得分辨率大大提高。增量位置檢測為 10000P/r;絕對位置檢測為 1000000P/r 5.補償技術得到發(fā)展和廣泛應用?，F(xiàn)代數(shù)控機床利用 CNC 數(shù)控系統(tǒng)的補償功能， 對伺服系統(tǒng)進行了多種補償，有軸向運動誤差補償、絲杠螺距誤差補償、齒輪間隙 補償、熱補償和空間誤差補償。 （三）程序編制 數(shù)控機床的零件程序編制是實現(xiàn)數(shù)控加工的主要環(huán)節(jié)。編程技術的發(fā)展有以下 幾方面的特點： 1.脫機編程發(fā)展到在線編程。傳統(tǒng)的編程是脫機進行的。由手工、電子計算機 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 5 以及專用編程機來完成，然后再輸入給數(shù)控裝置?，F(xiàn)代的 CNC 裝置有很強的存儲和 運算能力，把很多自動編輯機具有的功能 ，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)上在線進行，實現(xiàn)了人機對話。在手工操作鍵和彩色顯示器配 合下，實現(xiàn)程序輸入、編輯、修改、刪除。數(shù)控系統(tǒng)具有了前臺操作、后臺編輯的 前后臺功能。 2.具有機械加工技術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，還有宏程序設計功能、會話式自動編程、藍 圖編程和實物編程功能。 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，使得在線程序編制過程中，可以自 動選擇最佳刀具和切削用量。 （四）機床主機 數(shù)控機床機械結構適應數(shù)控技術的發(fā)展，采用機電一體化的總體布局。為提高 生產(chǎn)率，一般都采用自動換刀裝置，自動更換工件機構、“數(shù)控夾盤”和“數(shù)控夾 具”等。為了提高數(shù)控機床的動態(tài)性能，伺服系統(tǒng)和機床主機進行了很好的機電匹 配。同時，主機進行了優(yōu)化設計。 （五）數(shù)控機床的檢測和監(jiān)督 數(shù)控機床加工過程中進行檢測與監(jiān)督越來越普通，裝有各種類型的監(jiān)控、檢測 裝置。例如紅外、聲反射（AE）。激光檢測裝置，對刀具和工件進行監(jiān)測。發(fā)現(xiàn)工 件超差、刀具磨損、破損，都能及時報警，并給予補償，或對刀具進行調換，保證 了產(chǎn)品質量。 現(xiàn)代的數(shù)控機床都具有很好的故障自診斷功能及保護功能。軟件限位和自動返 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廢和事故。 （六）適應控制（Adaptive control） 數(shù)控機床增加更完善的適應控制功能是數(shù)控技術發(fā)展的一個重要方向。適應控 制機床是一種能隨著加工過程中切削條件的變化，自動地調整切削用量，實現(xiàn)加工 過程最佳化的自動控制機床。數(shù)控機床的適應控制功能由檢測單一或少數(shù)參數(shù)（如 功率、扭矩或力等）進行調整的“約束適應控制”，發(fā)展到檢測調控多參數(shù)的“最 佳適應控制”和“學習控制”。 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 6 1.3 系統(tǒng)方案設計 在本次設計過程中,動力裝置采用了易于控制的伺服電機,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 SINUMERIC 802C base line 控制,由流水線上的 PLC 信號作為引導。 機械執(zhí)行機構采用滾珠絲杠副結構完成機床的橫、豎向運動。機械導向機構采用滾 珠導軌與滑動導軌相結合的方式完成橫、豎向導向。 1.4 系統(tǒng)內(nèi)容設計 1. 執(zhí)行元件的選擇：選擇時應考慮負載能力、調速范圍、運行精度等多方面 要求，步進電機應用最為廣泛，一般情況下，優(yōu)先選用。因為步進電機控制簡單， 而且本次設計要求的速度不高，所以步進電機最為適合。 2. 傳動機構方案的選擇：傳動機構實質上是執(zhí)行元件和執(zhí)行機構之間的一個機 械接口，用于對運動和力進行變換和傳遞。 豎直傳動機構 ：通過滾珠絲杠與普通 絲杠進行比較,綜合考慮進給部分功能及精度要求,本次設計選擇了滾珠絲杠。橫向傳 動機構：通過水平的滾珠絲杠傳遞扭矩，完成工作臺上夾持器的橫向運動。 3．導向機構的選擇：導向機構即導軌，主要有滑動和滾動兩大類?；瑒訉к壗Y 構簡單、制造方便和抗振性好，利于豎直導向，所以豎直導向裝置采用滑動軌。而 滾珠導軌精度高，導向性好，摩擦因數(shù)小，啟動輕便，運動靈敏。不易爬行，壽命 長，適用于水平導向及精度較高場合，所以本次設計水平導軌才用滾珠導軌。 4．反饋元件的選擇：由于光柵尺結構簡單，精度高，控制容易，易于實現(xiàn)長度 的測量，所以選用尺狀的直線位移傳感器光柵尺作為反饋元件。 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 7 2 機械部分的設計與計算 2.1 導向機構的設計 導向機構 其作用是支撐和導向，為機械系統(tǒng)中各運動裝置能到安全、準確的 完成其特定方向的運動提供保障。根據(jù)導軌副之間摩擦情況，導軌可分為滑動導軌 和滾動導軌?；瑒訉к壗Y構簡單，制造方便個，剛度好，抗震性高。滾動導軌的導 向面之間放置滾珠，滾珠或滾針等滾動體來實現(xiàn)兩導軌無滑動地相對運動。這種導 軌摩損小，壽命大，定位精度高，靈敏度好，運行平穩(wěn)可靠，但對幾何精度要求高， 抗振性較差，防護要求高，本次設計采用了滑動導軌和滾珠導軌相結合的方式，因 為滑動導軌是機械產(chǎn)品應用廣，滾珠導軌傳動精度高。 2.2 執(zhí)行機構的設計 2.2.1 豎向運動裝置 圖 2-1 縱向裝置傳動圖 豎向運動裝置的工作過程如下： 步進電機通過聯(lián)軸器，由齒輪把扭矩傳遞給豎直方向的滾珠絲杠，帶動升降臺 上下運動。由于滾珠絲杠無自鎖，故采用電磁制動器，當需要停止是，由電子開關 控制步進電機停轉，同時起動電磁制動器，對滾珠絲杠自鎖，防止?jié)L珠絲杠自動下 滑，達到精確定位。 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 8 2.2.2 橫向運動裝置 具體傳動過程如下：伺服電機通過聯(lián)軸器將轉矩遞給滾珠絲杠，讓絲杠帶動刀 頭運動，從而完成進給的過程。 圖 2-2 橫向裝置傳動圖 2.3 傳動機構設計和計算 2.3.1 縱向運動裝置 1．滾珠絲杠副的選擇 已知：工作載荷 Fm=2600N，絲杠的工作長度為 0.566m，平均轉速 1600r/min， 最大轉速 2100r/min。 2.計算載荷 Fc = 因為精度等級為 D 級所以 K =1.0CFmAHFK?A ＝ 根據(jù)參考文獻[3]選?。海?=1.2，K =1.0，Ｋ ＝1.0m)21.395.(07.??HA Fc= =3120N261. 3．額定動載荷 C ＝F ＝3120 ＝38432.5Na 4 31067.?hmLn3407.? 計算的額定動載荷為 38432.5N＜40895N 故選擇 FC1—8010－2.5 型號滾珠絲杠，其主要數(shù)據(jù)如下：Ca＝40895Ｎ 公稱直徑： D =80mm0 導 程： P＝10 mm 螺旋角： ＝?'162? 滾珠直徑： d ＝5.953mm0 滾道半徑： R＝ ＝0.52 5.953＝3.1mm05.? 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 9 偏心距： ＝=)2(07.0dRe??m38. 絲杠內(nèi)徑： d ＝ D ＋e－2R10 ＝80＋0.308－2 3.1＝74.108mm? 4．穩(wěn)定性驗算 （1）由于一端軸固定的絲杠在工作時可能會發(fā)車生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其 安全系數(shù)，其值應大于絲杠副傳動允許安全系數(shù)[S]。 計算臨界載荷 Fcr Fcr＝ 彈性模量 E＝2.06 10 Pa2)(lEIa???1 ＝ ＝641dIa?64)0718.(.3m?480.7m? 根據(jù)參考文獻[3] 取 ＝2/3? Fcr＝ = 376729.54N2 812)3.0(.?? 安全系數(shù)：S＝Fcr / Fm ＝376729.54/2800 =289.2 根據(jù)參考文獻[3]，可知安全系數(shù)[S]＝2.2～3.3 S > 即絲杠安全,不會?? 失穩(wěn)。 （2）絲杠需要驗算其不會發(fā)生共振的最高轉速 n ， 要求絲杠的最大轉速cr ｎ 。 ｎ ＝9910maxcrn?cr21)(ldfc?? 根據(jù)參考文獻[3]選?。?=3.927，μ=2/3c ｎ ＝9910 =133782 r/mincr 2 2)3.067(4189.? ｎ n ＝2100ｒ/min。所以絲杠不會發(fā)生共振。cr?max （3）要求滾珠絲杠副 D n 70000 mmr/min0? D ｎ＝40 1600＝64000 mmr/min〈70000 mmr/min0 所以該絲杠副工作穩(wěn)定。 5．剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載下 F（N）和 T（Nm）公同作用下引起每個導程的變形為： cGJPEAL?20??? 在本次設計中 取摩擦系數(shù)為 tan ，即 05.??1432.0?? 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 10 所以 T＝1300 ＝1.72N·ｍ)1432.06.3tan(102/4?????CGJPEAFL?0??? = 492 23213 )0561.(1.84.387)(6)056.(6.2143 ????? =4.324 μm30? 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為 =PLl0??? 231024.104. ??? =2.624μm 要求 m??53.2//?? 該絲杠的導程誤差滿足上式，故其剛度滿足要求。 6．效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率為 )tan(/????? =tan（3 /tan（3 ）=0.9366.? ??1432.06.? 要求在 0.9—0.96 之間，所以此絲杠副是合格的。 2.3.2 橫向運動裝置 1．導軌型號的選擇 滑座上的載荷為 F=2600N， Ls=6/m，每分鐘往復次數(shù) 2，工作時間 Lh=12000h F=F/M=2600/4=650N Ts=2L Ls n/103h? =2 12000 6 4 60/1000 =34560km 計算動載荷 C a C =F =650 = 6789.6 NaCTH wsffK?3 81.0.25346? 根據(jù)參考文獻[3]，查表 2-15～2-18 f =1.0，f =1.0，f =2.0 ，f =0.8HTwC K 為壽命系數(shù)，一般取 K=50㎞ 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 11 因為 6789.6N<17500N,所以選擇 HJG－D55 型滾動直線導軌。 2．滾珠絲杠副的選擇計算 (1)．已知：平均工作載荷 Fm=650N，絲杠工作長度 L=0.8m。平均轉速 n =1600r/min，最大轉速 n =2600r/min，使用壽命 Lh＝12000h 左右，mmax 材料為鋼，滾道硬度為 60HRC，傳動精度 mm,求計算載荷 F 。03.???C F ＝Ｋ CAHFK? 查表 2-6 取 K =1.2，查表 2-7 取 K =1，H 因為精度等級為 D 級，因此 K ＝1.0A 所以 Fc＝0.8 1.0 1.0 650 ＝520N (2)．計算額定動載荷計算值 Ca C ＝Fa4 31067.?hmLn ＝520 34.2 ＝5224.54N 額定動載荷 5224.54N＜5982N 故 根據(jù)參考文獻[3]，查表 2-9 選用 2504—2.5 選擇滾珠絲杠副數(shù)據(jù)如下： 導 程： P＝10mm 螺 旋 角： ＝?52?? 滾珠直徑： d ＝5.381ｍｍ0 滾道半徑： R＝0.52 =0.52 2.381=1.238mm0? 偏 心 距： ｅ=0.07 （R－d /2） ＝0.07 (1.238－5.381/2）=3.29 mm310?? 絲杠內(nèi)徑： d ＝ D ＋e－2R=22.54mm10 公稱直徑 D =40mm (3)．穩(wěn)定性驗算 由于一端軸固定的絲杠在工作時可能會發(fā)車生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算 其安全系數(shù)，其值應大于絲杠副傳動允許安全系數(shù)[S] 計算臨界載荷 Fcr Fcr＝ 2)(lEIa?? 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 12 剛彈性模量 E＝2.06 10 Pa?1 根據(jù)已知條件： ＝ d /64=3.14 /64=1.26aI?4?4025. 810??4m 根據(jù)參考文獻[3]，選取 μ＝2/3 Fcr＝ = 89970.40N2 812).03(6.? 安全系數(shù)： S＝Fcr / Fm= 89970.40/650=138.416 查表 2－10 知[S]＝2.2～3.3 S 即絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。??? (4)．絲杠在高速工作時可能發(fā)生共振，因此需驗算其不會發(fā)生共振的最高轉速 ｎ ＝9910cr21)(ldfc?? 根據(jù)參考文獻[3]取 f ＝ 3.927，μ＝2/3c ｎ ＝9910 =121084r/mincr 2 2)8.067(549.3? ｎ n ＝2600ｒ/min。所以絲杠不會發(fā)生共振。cr?max (5)． 滾珠絲杠要求 D n 70000 mmr/min0? D ｎ＝25 1600＝40000 mmr/min〈70000 mmr/min0? 所以該絲杠副工作穩(wěn)定，符合設計要求。 (6)． 剛度驗算 滾珠絲杠導程變形量： Ｔ＝ F tan（ ） cGJTPEAFL?20???m20D??? 在本次設計中 取摩擦系數(shù)為 tan ，即 05.??143.?? T＝650 +0.1432）=0.56N·mtan(15.23???? = + CGJTPEAFL?0???214EdFm41 26TP? = 492 23213 )05.(.8.36)()05.(6.243 ????? =5.345 um? 因此絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 13 =0.8 /4=10.68 m PLl0???210345.??? 要求 ?./2/1?? 該絲杠的導程誤差滿足上式，故其剛度滿足要求。 (7)．效率驗算 =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 伺服電機的設計、校驗 １．伺服電機的選擇 取脈沖當量為： =0.005mmp? 滾珠絲杠的導程：P＝4 mm 初設傳動比為：i=2 則 =360 =0.9Pi/360.??4/205.? 因為 0.9〈1.5 故選用 Y180L-4 型號伺服電機 2．伺服電機最大轉矩 T ＝2.2Nm， ＝1.5， 轉動慣量s? Ｊｍ＝46.1 251kgm?? （1） 已知： 滾珠絲杠直徑 d＝40mm 導程 P＝10mm 刀頭及附件質量 m=100kg 導軌摩擦系數(shù) ＝ 0.2? 最大軸向載荷 F ＝1300Nmax 絲杠長度 L＝6000mm 絲杠最小拉壓長度 Lmin=60mm 最大拉壓長度 Lmax=380mm 絲杠支撐向剛度 K = 1.96BN/108? 絲杠螺母間的接觸剛度 K = 1.02Nm9 系統(tǒng)脈沖當量 =0.005mmP? 空載啟動時間 =40mst? 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 14 最大進給速度 Vmax=2m/min 定位精度 0.01mm? （2）傳動比計算 i = P??.360/ =0.6 5./1.? =2 （3）當量負載的轉動慣量計算 J= 32/4ld?? J = =2.58 kg·m1z 035.).(108.7 43??410??2 J = =3.42 kg·m2Z32.).(.43 4 3?2 = =3.26 kg·mSj 8.01.08.71 4??310??2 Ｊ = J +1/ ( J + )+( md1z2iZSj2)/ip? =4.158 kg·m4?2 （4）慣量匹配驗算 = =0.9Jmd4106.58?? 因為滿足 1/4 要求，說明慣量匹配合理。?Jd （5）負載能力校驗 J=Jm+Jd =4.61 +4.158 =8.768 kg·m410??410?410??2 空載啟動時，電機軸上的慣量轉矩： Tj=J =J ?t?max? =8.768 =1.84Nm34 104520.132???? 電機軸上的當量摩擦轉矩： Tu= = =0.158Nm???FiP2 2.0629.81.3?? 其中電機傳動鏈的總效率為 =0.98?絲 杠齒 輪 25.0 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 15 設滾珠絲杠螺母副的預緊力為最大軸向載荷的 1/3，因預緊力引起的折算 到電機軸上的附加摩擦轉矩為： T0= = iP??2)1(20??F)1(320max?????wFiP = 9.1509.84.32? =0.036Nm 刀頭上的最大軸向載荷折算到電機軸上的負載轉矩為 Tw= = =0.9Nmmax2wFiP???15029.0814.32?? 于是空載啟動時，電機軸上的總負載轉矩為： Tq =Tj+Tu+To=1.84+0.158+0.036 =2.034Nm 在最大外載荷下工作時，電機軸上的總負載轉矩為： T =Tw+Tu+To =0.9+0.158+0.036=1.961Nm1 空載啟動所需電機最大靜轉矩為：T = Tq/0.951 =2.138Nm1S 在最大外載荷下工作時所需電機最大靜轉矩為： T = T /（0.3—0.5）=5.93—3.56Nm2s1 因為 Ts=5.0Nm T =2.138Nm，所以，伺服電機能運轉。?1s （6）系統(tǒng)剛度計算 絲杠最大，最小拉壓剛度為： K = = =2.35 N/mmaxLin 24Ed?06.4128.3?90? K = = =3.96 N/minLax 23.1. 12 8 假設絲杠軸向支撐經(jīng)過預緊并忽略軸承座和螺母座剛度的影響，求絲杠螺 母機構的綜合拉壓剛度： = =6.23NLKBK121minmin0?? 888102.96.310.2??? N/m9??? 所以 K =1.6min081 =NLKB12maxax0?? 898102.2.1096.2??? 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 16 =2.55 +4.39 +9.8910??10?10?? K =2.5 N/mmax08 （7）固有頻率計算 絲杠質量為：m =1/4sPLd2? =1/4 32108.701.43?? =4.05kg 刀頭共振系統(tǒng)的最低固有頻率為 sncmK3/1in0??? = = 1764r/s5.4/56. 8? 折算到絲杠軸上系統(tǒng)的總當量轉動慣量為： J =J =8.657 =3.46 kg.msd2i104?310??2 如果忽略電機軸及減速器的扭轉變形，系統(tǒng)的最低扭轉振動固有頻率為： = = 2011rad/ssdTntJKmin??3 46.? 都很高,說明系統(tǒng)動態(tài)特性好。tc和 （8）死區(qū)誤差計算 設齒輪傳動和絲杠螺母機構分別采取了消隙和預緊措施 求由摩擦力引起的最大反向死區(qū)誤差為： =1.36 mm 38min0ax 106.12.52???kgu310? 85VAC,JBK3 系列） 。兩個變壓器的初級不可以接入到 380VAC 的同一相。 (10)現(xiàn)場沒有良好接地的情況下，控制變壓器必須為浮地設計，但此時任何與 CNC 控制器連接的外設（如 PC/PG),其 220VAC 電源必須連接到控制變壓器。 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 27 3.8 系統(tǒng)的電源電路原理圖 3.8.1 控制變壓器 控制變壓器和普通變壓器原理沒有區(qū)別，只是用途不同. 控制變壓器:用途廣泛,可做升壓,亦可做降壓用。 變壓器的工作原理是用電磁感應原理工作的。變壓器有兩組線圈，初級線圈和 次級線圈，次級線圈在初級線圈外邊。當初級線圈通上交流電時，變壓器鐵芯產(chǎn)生 交變磁場，次級線圈就產(chǎn)生感應電動勢。變壓器的線圈的匝數(shù)比等于電壓比。例如： 初級線圈是 500 匝，次級線圈是 250 匝，初級通上 220V 交流電，次級電壓就是 110V。變壓器能降壓也能升壓 電柜中必須采用獨立的控制變壓器，給系統(tǒng)的 24VDC 供電。控制變壓器接線如 圖所示。 圖 3-7 變壓器接線圖 (1)U,V,W 三相中未被驅動變壓器使用的兩相； (2)只有 PE 接地良好時才能連接。如果不能確定，則禁止連接； (3)接地線截面積最少為 6mm,以確保接地良好。 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 28 3.8.2 I/O 系統(tǒng)電源及輔助控制電路 圖 3-8 I/O 系統(tǒng)電源及輔助控制電路 3.9 光柵尺的基本原理 在玻璃尺或玻璃盤上類似于刻線標尺或度盤那樣，進行長刻線（一般 8-10mm） 的密集刻劃，得到如圖所示的黑白相間間隔細小條紋，就是光柵。 圖 3-9 光柵柵線圖 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 29 光柵上柵線的寬度為 a，線間寬度為 b ，一般取 a=b，而 W=a+b，W 稱為光柵柵 距。 圖 3-10 光柵測量原理圖 兩塊柵距相等的光柵，刻線面相對（中間有很小間隙） ，且兩光柵柵線之間有 很小夾角 θ，將兩光柵放置在圖中所示的光路中，則在近似垂直于柵線方向上顯現(xiàn) 出比柵距寬得多的明暗相間的條紋 6，這就是莫爾條紋。相鄰兩莫爾條紋的間距為 B=W/θ，當兩光柵在柵線垂直方向相對移動一個柵距 W，莫爾條紋則在平行柵線方 向移動一個莫爾條紋間距 B，即光通量分布曲線 7 變化一個周期，如果圖 b 所示， 光電元件 5 輸出出的電信號變化一個周期。圖 a 中 3 稱為標尺光柵，類似刻線尺， 也稱主光柵 。4 為指示光柵，只取一小塊。3，4 稱為光柵 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 30 3.10 運行程序 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 31 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 32 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 33 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 34 PLC_INI 的控制程序: 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 35 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 36 MG_STOEP 的控制程序: 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 37 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 38 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 39 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 40 AXIS_CTL 的程序: 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 41 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 42 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 43 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 44 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 45 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 46 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 47 4 結 論 本設備主要用于對大直徑圓形零部件在圓周上進行銑削和在規(guī)定位置上銑平面 或鉆孔,其中動力裝置采用了易于控制的步進電機,控制方式為閉環(huán)控制,傳感器采用 精度較高，較為普遍的光柵尺作為閉環(huán)控制的反饋元件。它的主控系統(tǒng)采用 Siemens 的 SINUMERIC 802C base line 控制,由流水線上的 PLC 信號作為引導,機械 執(zhí)行機構采用滾珠絲杠副結構完成機床的橫、豎向運動。機械導向機構采用滾珠導 軌與滑動導軌相結合的方式完成橫、豎向導向。 數(shù)控機床是新型的自動化機床，它具有廣泛通用性和很高的自動化程度。數(shù)控 機床實現(xiàn)柔性自動化重要的裝置，是發(fā)展柔性生產(chǎn)的基礎。數(shù)控機床在零件的加工 中，更能顯示出它的優(yōu)越性。 數(shù)控機床的優(yōu)點：提高生產(chǎn)率；穩(wěn)定產(chǎn)品質量；有廣泛的適應性和較大的靈活 性；可以實現(xiàn)一機多用；提高經(jīng)濟效益；不需要專用夾具；大大地減輕了工人的勞 動強。 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計 48 5 設計體會 通過本次畢業(yè)設計，對我們即將畢業(yè)走向工作崗位的大學生來說，是對我們四 年學習生涯的有效總結，也是對所學知識運用能力的一次全面的考核。雖然這段時 間里我們緊張而忙碌，但是對知識的渴望沒有阻擋我們前進的步伐。 本次畢業(yè)設計，使我對所學專業(yè)有了充分的認識，并對機械行業(yè)有了更多深的 理解與認識，在設計過程中，將理論和實踐相互結合起來，進一步加強對機械專業(yè) 的理解和認識，同時，我在查閱資料的時候，看到了許多關于機械零件設計的新方 法和心思路，并且對它們進行了充分的運用，不但解決了我在設計中遇到的困難， 同時也開拓了我的視野，提高了我獨自思考和解決問題的能力，為將來所從事的工 作奠定了堅實的基礎。 畢業(yè)設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。 通過這次畢業(yè)設計使我明白了自己原來學的知識還比較欠缺，學習是一個長期積累 的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。 在這次畢業(yè)設計中也使我與老師、同學間的關系更進一步了，師生之間互相幫 助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以 在這里非常感謝幫助我的老師和同學。此外，還得出一個結論：知識必須通過應用 才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以 我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。 在整個設計中我懂得了許多機械方面的知識，也培養(yǎng)了我獨立設計的能力，樹 立了對自己的信心，相信會對今后的學習、工作、生活有非常重要的影響。并且大 大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。 雖然這個設計做完