实验型数控铣床设计 毕业设计

摘 要摘 要论文详细介绍了实验型数控铣床的设计过程，此设计过程大致可分为以下两部分：论文第一部分主要进行了数控铣床的机械部分设计。首先，论证了各种方案的优缺点，从而在总体布局上有所把握。其次，我们通过分析比较各种设计方案，根据合理性和经济性的指导思想，决定采用立式结构，十字工作台式，床身导轨水平放置。最后，通过对各零部件进行选择和校核，最终采用了在生产中已经非常专业化的角接触球轴承、圆柱形滑动导轨、混合式步进电动机和滚珠丝杠等。在机械部分设计过程中，尽量考虑节约成本和互换性，保证X、Y进给选用相同的步进电机、滚珠丝杠等零部件。论文第二部分主要进行了数控铣床的控制部分设计。其主要成果是：对电气控制系统的组成作简单阐述，通过比较多种控制系统，选择采用PLC进行控制。了解数控铣床的全部工作要求，确定采用三菱公司的FX2N系列可编程控制器构成的控制系统来实现对步进电机的启停、正反转、两轴联动和变频调速的控制，从而实现加工过程的自动控制。通过弱电控制强电，计算机数字化控制电路，成功地实现了工作要求，使其具有能控制电动机启停、正反转、变频调速和两轴联动等功能。关键词：数控铣床，两坐标，实验型，可编程控制器第二章 实验型数控铣床的总体设计2.1 总体设计的基本要求(1)满足各种加工要求，如加工范围、加工精度等。(2) 确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。在既经济又合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率。(3) 确保铣床具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪声水平。(4) 应便于观察加工过程，便于操作、调整和维修。(5) 结构简单，合理可靠。(6) 体积小，重量轻。2.2 总体设计的主要内容(1) 运动功能设计。包括确定机床所需运动的个数、形式（直线运动、回转运动）、功能（主运动、进给运动、其他运动）及排列顺序，最后画出机床的运动功能图。(2) 基本参数设计。包括整体尺寸参数、零件尺寸参数、运动参数和动力参数设计。(3) 传动系统设计。包括传动方式、传动原理图及传动系统设计。(4) 总体结构布局设计。包括运动功能分配、总体布局结构形式及总体结构布局方案图设计。(5) 控制系统设计。包括控制方式及控制原理、控制流程图设计、控制电路图设计以及PLC选用和控制程序编写。根据前面所提到的数控铣床应满足的基本要求就可以进行总体设计。在各项基本要求中以加工工艺要求最为重要。由加工工艺要求决定铣床所需要的运动。完成每个运动又有相应的功能部件，这就可以确定各部件的相对运动和相对位置关系。铣床的总体布局也就可以大体确定下来。2.3 方案的比较与选择数控铣床与一般的数控机床一样，是由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。对实验型数控铣床的设计，一方面，要求其功能完善、结构开放，具有与一般生产实用型数控铣床一样的工作原理和工作性能；另一方面，要求其体积小、价格低，以利于此类实验型铣床的普及推广。本课题的设计主要是两个方面：其一：机械结构的设计；其二：控制系统的设计。这里有两个方案：方案一、采用减速箱，并对滚珠丝杠进行两端支撑；减速箱采用圆柱齿轮变速，这种方案可以通过增加减速箱，达到：1.增大转动扭矩；2.提高脉冲当量；3.匹配惯量。对滚珠丝杠进行两端支撑，可以尽量减少由于一端支撑，可能产生的弯曲，减少误差，提高精度。方案二、直接采用套筒式联轴器连接步进电动机和滚珠丝杠，对滚珠丝杠进行一端支撑或两端支撑。这种设计结构简单，加工安装方便。综合考虑，由于切削石蜡、塑料等材料，根据计算切削力较小，最终选用步进电机，脉冲当量为0.01mm/step，无减速装置，直接采用套同式联轴器联接电动机轴和滚珠丝杠。因为实验型数控铣床主要目的是用于演示实验，行程较短，对加工精度要求不高，传递的转动扭矩也不是很高，而一端固定一自由的支承形式结构简单，刚度、临界转速、压杆稳定性比较低，适用于较短和竖直的丝杠。2.4 实验型数控铣床的方案拟定机械系统部分：实验型数控铣床采用立式结构，十字工作台式，床身导轨水平放置，这样布局不仅有利于减少占地面积。总体机床长为560mm，宽为420mm，高为700mm，工作台宽160mm，长160mm，可以实现X轴、Y轴两坐标联动。电动机与丝杠的连接可以通过套筒式连轴器来实现。在工作过程中，X轴和Y轴都是步进电机带动丝杠旋转，滚珠螺母沿丝杠做水平移动，从而带动工作台沿导轨在水平面前后左右移动。Z轴的进给则是手动来实现的。电动机带动主轴旋转，从而完成铣削过程。控制系统部分：通过采用三菱公司的FX2N系列可编程控制器构成的控制系统来实现对步进电机的启停、正反转、两轴联动和变频调速的控制，从而实现加工过程的自动控制。其中重点是确定硬件电路的总体方案和软件设计，主要有：输入输出接口选用及电路设计，步进电机接口和驱动电路。由此，可以大体画出整体结构的系统框图，如下图2-1所示。图2-1 总体的系统框图v第三章 数控铣床机械部分设计的一般过程3.1 铣削力的计算3.2 主轴电机的选择3.3 X、Y轴铣削力的计算3.4 步进电机的选择步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量频率以及电动机绕组的通电顺序，电动机即可获得所需的转角转速及转向，很容易用微机实现数字控制。（1）应用中需要注意的几点：步进电机应用于低速场合每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。转动惯量大的负载应选择大机座号电机。电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少。电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。应遵循先选电机后选驱动的原则。（2）步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。选用1.5度。静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来。电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）综上所述选择电机一般应遵循步骤如图3-1所示： 图3-1 选择电机的步骤力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=M=2n/60P=2nM/60其中P为功率，单位为瓦；为每秒角速度，单位为弧度；n为每分钟转速；M为力矩，单位为牛顿米。P=2fM/400(半步工作)其中f为每秒脉冲数（简称PPS）。（3）混合式步进电机控制系统优缺点混合式步进电机控制系统的优点正是由混合式步进电机特殊的结构所带来的，简而言之它具有稳定可靠、性能好、运行平稳等优点，以和最具有可比性的反应式步进电机系统相比为例。首先，混合式步进电机系统可靠性和稳定性较高，由于驱动器是系统中可靠性最薄弱的一个部分，所以系统可靠性和稳定性主要是由驱动器的可靠性来决定的。混合式电机转子上有永磁体，部分磁场已由转子上的磁钢产生，所以混合式电机绕组电流可以设计得比较小，而反应式电机磁场完全由绕组电流产生，故欲和混合式电机产生相同的转矩，在电机体积相差不太大的情况下，反应式电机所需电流就要大得多。在当前电力电子器件水平限制下，混合式电机的驱动器就比反应式电机的驱动器要可靠得多，同时由于大的绕组电流，反应式电机本体的发热情况也要严重的多。实际上，为产生相同的转矩，反应式电机不仅线圈电流大，而且定子线圈匝数多，电机体积大，绕组电感也大。由于绕组电感大，反应式驱动器必须要以高压驱动才会有比较好的高频性能，但这样驱动器的可靠性会明显变差；如果反应式驱动器取和混合式驱动器一样的驱动电压时，电机的高频转矩明显要小，这也是反应式电机系统性能比混合式电机系统差的一个重要原因。混合式步进电机一般步距角较小，再加上混合式步进电机共振区不明显，振荡较小，在控制步进电机升降频规律一致的情况下，运行要比反应式步进电机稳定。混合式步进电机系统的缺点在于混合式步进电机的制造比较复杂，电机的成本相对较高；其次是虽然混合式步进电机共振区不明显，振荡较小，但依然影响性能。脉冲当量应根据系统精度要求来确定，一般取为0.010.02mm。如取得太大，无法满足系统精度要求，如取得太小，或者机械系统难以实现，或者对其精度和动态性能提出过高要求，使经济性降低。所以根据数控钻铣床的精度要求，步进电动机脉冲当量：，步角距。由于无减速装置，所以由=/360可知，滚珠丝杠螺距，即基本导程=4mm。一般来讲，反应式步进电机步距角较小，运行频率高，价格较低，但功耗较大，永磁式步进电机功耗较小，断电后仍有制动力矩，但步距角较大，启动和运行频率较低，混合式步进电机由上述两种电机的优点，但价格较高。考虑到该机床垂直进给方向需用自锁机构，所以选用具有自锁功能的混合式步进电机。（4）计算选择步进电机转轴上启动力矩的计算铣削时：=1051.9N, =841.5N，分别取=0.03，G=300N,=1.8mm/step=360.011051.9+0.03（300+841.5）/(21.80.7) =49.4由手册可知：/=0.866，步进电机最大静转矩=/0.866=49.4/0.866=57 确定步进电机最高工作频率，假定=0.025m/s=10000.025/0.02=1250根据以上参数，初选混合式步进电机。57BYGH6403采用两相四拍的通电方式。相数，3；步距角，；电流，2.5A；静力矩,110；转动惯量，280；引线数，4。3.5 滚珠丝杠的选择（一） 滚珠丝杠的特点滚珠丝杠螺母副（以下简称滚珠丝杠副）是回转运动与直线运动相互转话的一种新型传动机构，在数控铣床中得到了广泛的应用。它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠，使丝杠和螺母之间的运动成为滚动，以减少摩擦。在数控机床的传动中，经常用于代替滑动丝杠，以提高传动精度。丝杠螺母副的特点：（1）用较小的扭矩转动丝杠（或螺母），可使螺母（或丝杠）获得较大的轴向牵引力。（2）可达到很大的降速比，使降速机构大为简化，传动链的以缩短。（3）能达到较高的传动精。用于进给机构时,还可兼作测量元件，通过刻度盘读出直线位移的尺寸，最小数值可达0.0001mm。（4）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠的传动效率=0.920.96,而一般的常规（滑动）丝杠螺母副的=0.200.40。所以滚珠丝杠的传动效率比常规丝杠的传动效率提高了34倍。因此功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1/31/4。（5）给予适当的预紧，可消除丝杠和螺母螺纹间隙，这样反向时就可以没有空程死区，反向定位精度高。与常规丝杠螺母副比较有较高的轴向精度。（6）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。滚珠丝杠基本上是滚动摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小几乎和运动速度完全无关，这样就可以保证运动的平稳性。由于滚珠丝杠基本上是滚动摩擦，与常规丝杠螺母副比较不宜出现爬行现象，故传动精度高。（7）有可逆性，由于滚珠丝杠副摩擦系数小，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以由直线运动转换为旋转运动。丝杠和螺母都可以作为主动件，也可以作为从动件。（8）制造工艺复杂，滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求较高，光洁度要求也高，故制造成本高。例如丝杠和螺母上的螺旋槽滚道，一般都要求磨削成型表面的。（9）不能自锁，特别是垂直丝杠，由于自重惯性力的关系，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需要添加制动装置。在设计滚珠丝杠时，首先要确定其名义直径、螺距及滚珠直径等。确定滚珠丝杠的上述参数时，目前采用的方法是，在防止疲劳点蚀的基础上，即滚性丝杠在工作过程中受轴向负载时，在滚珠和滚道型面间使产生接触应力。在这种交变接触应力的作用下，经过一定的应力循环次数后，就要使滚珠或滚道型面产生疲劳剥伤，而使滚珠副丧失其工作性能，这是滚球丝杠副的主要破坏形式。在设计滚珠丝杠副时，必须保证在一定的轴向负载作用下，这种名义直径D和螺距t的滚珠丝杠在回转一百万转后，在他的滚道上由于受滚珠的压力而不致有点蚀现象，这个负载的最大值称为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载。（二） 滚珠丝杠的选择计算（1）动载荷C的计算其中载荷系数取为1.0，硬度系数取为1.2，最大的工作负载L使用寿命工作负载F是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，他的数据可用进给牵引力的实验公式计算：对于类似燕尾型寻轨的机床=X方向的切削力Y方向的切削力Z方向的切削力G移动部件的重量导轨上的摩擦系数k考虑颠复力矩影响的实验系数选用滚动导轨，在正常润滑情况下，对于类似燕尾型寻轨k=1.4 ，=0.03在铣削过程中，=841.5N ，=0， =1051.9N ，G=300N =1.40+0.03(841.5+21051.9+300)=97.4N而L=60nT/10式中n滚珠丝杠的转速（r/min）T使用寿命（小时）对于数控机床，n一般取1250 r/min，T一般取15000h，因为L=60125015000/10=1125C=1.01.294.7=1181.9N查表初步选用的型号为N系列1604-3，3列Q=4612N较为合适，这是一种内循环垫片调隙单螺母的滚珠丝杠副，其主要参数如下：名义直径：=20mm，基本导程t=5mm，钢球直径：=3.725 mm ，丝杠内径=17.96mm，丝杠外径=19.4mm ，循环列数3，额定动负载=6367 N ，螺母外径D=72 mm，螺母内径=32 mm，螺母长度L=40 mm。（2）校核效率计算： 从机械原理中得知，滚珠丝杠螺母副的传动效率式中：螺纹的螺旋升角；=摩擦角；滚珠丝杠副的滚动摩擦系数=0.0030.004，其摩擦角约等于(=0.0030.004)。0.965刚度的验算数控机床的滚珠丝杠是一种精密的传动元件，它在工作负载P的作用下，将伸长或缩短，在扭矩M的作用下，将向一方或另一方扭转，这样，滚珠丝杠的螺距就要产生变化，从而影响其传动精度和定位精度，因此，滚珠丝杠应验算其满载时的变形量。从材料力学中得知，滚珠丝杠受工作负载（轴向力）P的作用而引起一个螺距t的变化量,可按下式计算： (cm)其中：P工作负载；t滚珠丝杠螺距；E弹性模数，对钢而言（E=20.1）；F滚珠丝杠的横截面积（按内径而定）； =1.4cm滚珠丝杠受扭矩M作用而引起一个螺距t的变化量，可以按下式计算： (cm) 其中在扭矩M的作用下，滚珠丝杠每一螺距长度两截面上的相对扭转角； 其中，M扭矩（）,=6.43G扭转弹性；对钢而言，G=滚珠丝杠载面积的极惯性矩（其中d滚珠丝杠的内径，cm） =2889.8=1.06 =6.75cm(可忽略不计)如果Y方向的滚珠丝杠的长度为100cm,则整个工作长度上的螺距变形总误差： =100/0.4=3.5cm/m查表得对E级丝杠，允许误差=15，故该滚珠丝杠满足要求。稳定性验算机床的进给丝杠通常是一种受轴向力的压杆，如果轴向力过大，可使丝杠失去稳定性而产生翘曲。机床上的进给丝杠一般均为长柱。长柱压杆失稳时的临界负载，可用材料力学中的欧拉公式计算（N）E丝杠材料的弹性模数，对钢而言E=2.1；J截面惯性矩，对实心圆杆而言，=1445；l丝杠的工作长度，l=20cm；u丝杠的轴端系数，由支撑条件决定，本设计是两端向心轴承，u=1=7.5N 临界负载与工作负载P之比成为稳定性安全系数。如果稳定性安全系数大于许用稳定性安全系数，则该压杆安全不致失稳。7.7=4故此滚珠丝杠不致失稳。由于钻、铣工作时，滚珠丝杠的转速比较低，滚珠丝杠传动时的振动就会非常小，所以临界转速就不用校核了。3.6 轴承的选择机床传动轴的滚动轴承的失效形式，主要是在循环接触应力下的作用，滚动体和滚道表面上出现疲劳破环。即通常所说的疲劳剥落。而丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠和工作台的重量外，一般无外载荷，对丝杠轴承的要求主要是轴向精度和刚度较高，摩擦力矩要小。所以选用角接触球轴承，该轴承是与滚珠丝杠配合的专用轴承，其主要特点如下：（1）接触角大，钢球数多，承载能力高，刚度高。（2）既能承受轴向载荷，也能承受径向载荷，支撑结构可以简化。（3）轴承启动摩擦力矩小，降低丝杠副的驱动功率，提高进给系统的灵敏度。现选用7000C型号，基本尺寸为:d=10mm，外径D=26mm，宽度B=8mm，基本额定动负荷=4.29KN，基本额定静载荷=2.25KN，极限转速（油润滑）为28000。 对轴承的疲劳寿命进行校核：由机械设计可知，轴承的基本额定寿命为： 式中：P当量动载荷； 基本额定寿命； 寿命指数，一般球轴承=3；n轴承工作转速，n=1250；C基本额定动载荷，C=2250N；其中：冲击载荷系数，取1.1；径向载荷；X、Y径向动载荷系数和轴向动载荷系数。X=0.44,Y=1；P=1.1(0.440+97.4)=107.1N123628.3h15000h所以该轴承的选用也是合格的。3.7 导轨的选择铣床上的直线运动部件都是沿着它的床身、立柱、横梁等支承件上的导轨进行运动的，导轨的作用概括地说是对运动部件起导向和支承作用。在导轨副（如工作台和床身导轨）中，运动的另一方（如工作台导轨）叫作动导轨，不动的另一方（如床身导轨）叫做支承导轨。按摩擦性质分为滑动导轨和滚动导轨。在滑动导轨中有静压导轨、静压导轨和普通滑动导轨。静压导轨的原理和静压滑动轴承相同，该导轨多用于进给运动导轨。动压倒轨，当导轨面间的相对滑动速度达到一定值后，液体的动压效应是导轨的油腔处出现压力油楔，把两导轨面分开，从而形成以液体摩擦，这种导轨只能用于高速的场合，故仅用作主运动导轨，例如立式铣床导轨。普通滑动导轨的摩擦状态有的为混合摩擦。按受力状态可分为开式导轨和闭式导轨。在部件自重和外载作用下，导轨面在导轨全长上可以始终贴合的称为开式导轨，如龙门铣床的工作台和床身导轨。部件的自重不能使主导轨面始终贴合，就必须增加压板，形成辅助导轨面，称为闭式导轨。（一）导轨选择考虑的因素：（1）导向精度导轨在空载下运动和在切削条件下运动时，都应具有足够的导向精度。保证轴承运动的准确性，是保证导轨工作质量的前提。（2）几何精度直线运动导轨的几何精度一般包括：导轨在竖直平面内的直线度（简称A项精度）；导轨在水平平面内的直线度（简称B项精度）；两导轨面间的平行度，也叫作扭曲（简称C项精度）。在A、B两项精度中，都规定了导轨在每米长度上和导轨全长上，两导轨面间在横向每米长度上的扭曲值。（3）接触精度磨削和刮研的导轨表面，接触精度按的规定，采用着色法进行检查。用接触面所占的百分比或面积内接触点数衡量。（4）精度保持性影响精度保持性的主要因素是磨损。提高耐磨性以保持精度，是提高机床质量的主要内容之一，也是科学研究的一大课题。常见的磨损形式有磨料（硬粒）磨损、粘着磨损（或咬焊）和接触疲劳。磨料磨损经常发生在边界摩擦和混合摩擦状态。磨粒夹在导轨面间随之相对运动，形成对导轨面的切削，使导轨面产生划伤。磨料的硬度越高，相对滑动速度越大，压强越大，对摩擦副的危害也越大。磨料磨损很难避免，是导轨防护的重点。粘着磨损也称为分子机械磨损。当两个摩擦表面相互接触时，在高压强下材料产生塑性变形，相对运动时的摩擦，又使表面层的氧化膜破坏，在新暴露出来的金属表面之间，就会产生分子间的相互吸引和渗透，使接触点粘结而发生咬焊。接触面的相对运动又要将咬焊点拉开，就造成撕裂性破坏。咬焊是不允许发生的。接触疲劳发生在滚动摩擦副中，也是无法避免的。（5）低速运动平稳性当导轨作低速运动或微量位移时，应保证导轨运动的平稳性，即不出现滑移现象。低速运动平稳性与导轨的结构、材料和润滑，与动、静摩擦系数的差值，与传动导轨运动的传动链的刚度有关。（6）结构简单平稳性好大多数机床的导轨都要淬硬，因此导轨的精加工，不能淬硬。设计时要注意使导轨的制造和维修方便，刮研量少。如果采用镶装导轨，则应尽量做到更换容易。（二）导轨的润滑（1）润滑的目的、要求及方法润滑的目的是为了降低摩擦力、减少磨损、降低温度和防止生锈。润滑要求供给导轨清洁的润滑油。油量可以调节。尽量采取自动和强制润滑。润滑元件要可靠。要有安全装。例如静压导轨在未形成油膜之前不能开车和润滑不正常有报警信号等。导轨的润滑方式有很多。可以人工定期向导轨面浇油。此法简单易行，但不能经常保证足够的润滑。也可在运动部件上装油杯，使油沿油孔流或滴向导轨面，也可在运动导轨面上装润滑电磁泵。或手动润滑油泵，定时拉动几下供油。为使润滑油在导轨面上较均匀的分布，保证润滑效果，需在导轨面上开出油沟。（2）润滑油的选择导轨常用的润滑剂有润滑油和润滑脂，滑动导轨用润滑油，滚动导轨两者都可用。导轨润滑油的粘度可根据导轨的工作条件和润滑方式选择。高速低载荷可用粘度较低的润滑油，反之，则用粘度较高的润滑油。低载荷，高、中速的中、小型机床进给导轨，可用导轨油；中载荷的中低速导轨，可采用导轨油；重型机床的低速导轨，可用或导轨油。3.8 联轴器的选择联轴器是用来联接两进给机构的两根轴使之一起回转传递扭矩和运动的一种装置。目前联轴器的类型繁多，有液力式、电磁式和机械式。机械式联轴器的应用最为广泛。套筒联轴器构造简单，径向尺寸小，但装卸困难（轴需作轴向移动）。且要求两轴严格对中，不允许有径向或角度偏差，因此使用时受到一定限制。绕行联轴器采用锥形夹紧环传递载荷，可使动力传递没有方向间隙。凸缘式联轴器构造简单、成本的、可传递较大扭矩，常用于转速低、五种及、轴的刚性大及对中性好的场合。他的主要缺点是对两轴的对中性要求很高。若两轴间存在位移与倾斜，救在机件内引起附加载荷，使工作状况恶化。由此，在进行数控铣床的设计时，具体选用何种联轴器应根据上述几种类型各自的优缺点予以全面考虑。3.9 传动装置的选择传动装置种类繁多，一般选用闭式标准直齿圆柱齿轮传动。齿轮传动的适用范围很广，传递功率可高达数万千瓦，圆周速度可达150m/s(最高可达300m/s)。和其他机械传动比较，齿轮传动的主要优点是工作可靠，使用寿命长；瞬时传动比为常数；传动效率高；结构紧凑；功率和速度适用范围很广等。第四章 实验型数控铣床机械部分设计由于所设计的实验型数控铣床不同于一般实用加工型数控铣床，它主要用来教学实验，加工材料主要是石蜡或塑料，机床设计手册中没有针对此种材料列出铣削力的计算公式，即使套用软的材料来估算铣削力，也难免引起大的误差，因此，不能完全按照前一章的设计计算方法来进行设计，必须综合考虑，下面就来介绍实验型数控铣床的主要设计过程。4.1 步进电机的选择铣削力由刀具的材料、铣削工件的材料、切削用量等很多因素决定。对于本次铣床的设计，有特殊性，可采用三相异步电动机的电机功率和主轴上传动的功率反估算出工作台进给时的铣削力。这里可以根据经验选用型号为三相异步电动机即可满足实验型数控铣床主轴驱动的要求，其功率为90W，。该铣床的主传动和进给传动均用电机驱动，进给传动的功率较小，可在主传动功率上乘以一个系数，有机床设计手册查的铣床=0.85。主传动功率P包括铣削功率，空载功率，附加功率三部分，即：P =+，空载功率是当机床无切削负载时主传动系统所消耗的功率，对于一般轻载高速的中、小型机床，可达总功率的，现取=0.5P，附加功率是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率，它直接与载荷大小有关，可以用下面的式子计算：=，故总功率为：P=+0.5 P+，=0.5P/(2)，在进给传动中铣削功率26.9W切削时主轴上的扭矩为：现用代入得=131.0设铣刀的最大直径为8mm，铣削力铣削加工时铣削进给抗力与铣削力之间的比值由机床设计手册查得/=1.01.2，取/=1.0，则=163.75N。垂直分力与的比值为0.750.8，取/=0.75，则=122.8N。（1） 脉冲当量、步距角和丝杠导程的选择脉冲当量、步距角、丝杠导程和降速比之间的关系为： 其中，；又由于无减速装置，所以取1，可得=4 mm。（2） 步进电机转轴上启动力矩的计算式中：脉冲当量； 铣削进给抗力（N）； 垂直分力 （N）； G移动部件的总重量 G=250N； 摩擦系数 设=0.2； 则=360.01163.75+0.2（250+122.8）/(20.90.58) =26.2由手册可知：/=0.866，步进电机最大静转矩=/0.866=26.2/0.866=30.25 （3） 确定步进电机最高工作频率，假定=0.02m/s=10000.02/0.01=2000（4）选择步进电机根据以上参数，初选混合式步进电机。57BYG250E采用两相四拍的通电方式。相数:2；步距角；电流3A；静力矩110；转动惯量: 330。4.2 滚珠丝杠的选择（1）进给率引力的估算作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。本次实验型数控铣床采用圆柱形导轨，其相应的计算公式为：式中 、切削分力； 主轴上的扭矩； 主轴直径； 轴套和轴架以及主轴的键上摩擦系数；由经验取=10 ，已知=122.8 则（2）最大动负载的计算选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定的轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在一定的滚道上不产生点蚀现象，这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载，可用下式计算： 式中 L使用寿命 以转为一单位，；丝杠转速（），用下式计算；最大铣削力条件下的进给速度（），可取最高进给速度的1/21/3；丝杠导程，（）；运转系数，见表4-1：表4-1 运转系数运转状态运转系数无冲击运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.52.5因此 1260； ； （3）滚珠丝杠的选择查表初步选用的型号为，这是一种内循环浮动反向器单螺母变位导程预紧滚珠丝杠副，其主要参数如下： 名义直径：=20mm；基本导程=4mm；钢球直径：=3mm ；丝杠内径，此处取16mm ；丝杠外径=19.2mm ；循环列数2 ；额定动负载 =4；螺母外径 =60mm；螺母长度L=48 mm。（4）传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率式中 丝杠螺旋长升角，=； 摩擦角，约为； 丝杠导程； 丝杠公称直径；则 （5）刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，故应考虑以下引起轴向变形的因素。 丝杠的拉伸或压缩变形量在总的变形量中占的比重较大，先计算滚珠丝杠受工作负载的作用引起的导程的变形量( mm) =式中：E弹性模数，对钢而言（E=20.1）；F滚珠丝杠的横截面积（按内径而定）；得 = 又因丝杠的拉伸或压缩变形量=式中 滚珠丝杠在支承间的受力长度（mm），假设=200 mm那么 = 滚珠与螺纹滚道间接触变形当滚珠丝杠加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的1/3时， 可减少一半，无预紧力时：= 式中 一圈的滚珠数，=18；滚珠数量，=圈数列数=1822=72；那么： =。 其它变形量其它变形量对精度影响不大。 总变形量4.67。（6）稳定性验算机床的进给丝杠通常是一种受轴向力的压杆，如果轴向力过大，可使丝杠失去稳定性而产生翘曲，机床上的进给丝杠一般均为长柱。产生失稳的临界负载式中 I截面惯性矩（），； 丝杠的支承方式系数，（当一端固定，一端自由时，为0.25）； l丝杠两支承端的距离，取20；则 = 临界负载与最大工作负载之比称为稳定性安全系数，如果=则丝杠不失稳。一般取=2.54， =2.4所以所选丝杠不失稳。（7）滚珠丝杠支承选择本传动系统的丝杠采用一端固定一端自由的结构形式，固定端采用一对型号为7001C的角接触球轴承背对背组配。4.3 导轨的选择导轨按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨三种。滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点，是机床上使用最广泛的导轨形式。通过选用合适的导轨材料和采用相应的热处理及加工方法，可以提高滑动导轨的耐磨性及改善其摩擦特性。本次实验型数控铣床的设计选用滑动导轨中的圆柱形导轨。圆柱形导轨其优点为制造简单，内孔可珩磨，与磨削后的外圆可以精密配合。第五章 实验型数控铣床的控制系统数控系统与被控机床本体的结合体称为数控机床。它集机械制造、计算机、微电子、现代控制及精密测量等多种技术为一体，使传统的机械加工工艺发生了质的变化。这个变化的本质就在于用数控系统实现了加工过程的自动化。5.1 数控系统的组成数控系统一般由输入/输出装置、数控装置、驱动控制装置、机床电气逻辑控制装置四部分组成，机床本体为被控对象，如图5-1所示。图5-1 数控系统组成的一般形式数控系统是严格按照外部输入的程序对工件进行自动加工的。数控加工程序按零件加工顺序记载机床加工所需的各种信息，有零件加工的轨迹信息（如几何形状和几何尺寸等）、工艺信息（如进给速度和主轴转速等）及开关命令（如换刀、冷却液开/关和工作装/卸等）。加工程序常常记录在各种信息载体上，通过各种输入装置，信息载体上的数控加工程序将被数控装置所接收。现代数控系统采用可编程控制器取代了传统的机床电器逻辑控制装置，用可编程控制程序实现数控机床的各种继电器控制逻辑。可编程控制器可位于数控装置之外，称独立型可编程控制器；可以与数控装置合为一体，称内装型可编程控制器。5.2 PLC控制系统设计的基本内容可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）是以微处理器为核心的工业控制装置。它是计算机家族中的一员，是为了工业控制应用而设计的，主要用于代替继电器实现逻辑控制。这种控制装置将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有高可靠性，灵活通用，易于编程，使用方便等特点，而且随着技术的发展，它的功能早已大大超出了逻辑控制的范围，因此近年来在工业自动控制，机电一体化，改造传统产业方面得到广泛地应用。虽然各种PLC的组成各不相同，但是在结构上是基本相同的，一般由CPU，存储器，输入输出设备（I/O）和其他的可选部件组成。CPU是PLC的核心，它用于输入各种指令，完成预定的任务。自整定，预测控制和模糊控制等先进的控制算法也已经在CPU中得到了应用存储器包括随机存储器RAM和只读存储器ROM，通常将程序以及所有的固定参数固化在ROM中，RAM则为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间；输入输出系统（I/O）使过程状态和参数输入到PLC的通道以及实时控制信号输出的通道，这些通道可以有模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出、脉冲量输入等，使PLC的应用十分广泛。5.2.1 PLC控制系统设计的基本原则任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：1 b8 e& （1）最大限度地满足被控对象的控制要求2 C% I: f9 | O, - m5 T8 ?m& d充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。/ l8 e ?; r/ i% y7 u, N3 H5 o8 _2 |- J, I（2）保证PLC控制系统安全可靠 V+ p# F* T$ Z$ 1 , a: Q5 v$ t: . a保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC 程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。（3）* 7 s9 m3 4 D- 4 l8 p 力求简单、经济、使用及维修方便& hO一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。( O8 x1 2 o6 x) o: I) x（8 994）适应发展的需要#由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。, a: Q5 v$ t: . a保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC 程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。（3）* 7 s9 m3 4 D- 4 l8 p 力求简单、经济、使用及维修方便& hO一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。( O8 x1 2 o6 x) o: I) x（8 994）适应发展的需要#由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。5.2.2 PLC控制系统设计的基本步骤（1）确定系统运行方式与控制方式。PLC可构成各种各样的控制系统，如单机控制系统、集中控制系统等。在进行应用系统设计时，要确定系统的构成形式。（2）选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号灯等执行元件)以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等)。这些设备属于一般的电气元件，其选择的方法属于其他课程的内容。（3）PLC的选择。PLC是控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济指标起着重要的作用。选择PLC应包括机型选择、容量选择、I/O模块选择、电源模块选择等。（4）分配I/O点，绘制I/O连接图，必要时还须设计控制台(柜)。（1）确定系统运行方式与控制方式。PLC可构成各种各样的控制系统，如单机控制系统、集中控制系统等。在进行应用系统设计时，要确定系统的构成形式。（2）选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号灯等执行元件)以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等)。这些设备属于一般的电气元件，其选择的方法属于其他课程的内容。（3）PLC的选择。PLC是控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济指标起着重要的作用。选择PLC应包括机型选择、容量选择、I/O模块选择、电源模块选择等。（4）分配I/O点，绘制I/O连接图，必要时还须设计控制台(柜)。5.3 步进电机驱动器的选择步进电机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切联系。驱动电源由环形脉冲分配器、功率放大器组成如图5-2所示：图5-2 驱动电源驱动电源是将变频信号源（微机或数控装置等）送来的脉冲信号及方向信号按照要求的配电方式自动地循环供给电动机的各个绕组，以驱动电动机的转子正反向旋转。从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增加到几至几十毫安，从而驱动步进电机运转。因此，只要控制输入电脉冲的数量和频率就可精确地控制步进电机的转角和速度。环形分配器输出的电流很小（毫安级），不能直接驱动步进电机，需要功率器将脉冲电流放大到几安培甚至几十安培，才能驱动电动机。放大电路对步进电机的性能起着非常重要的作用。功率放大的类型很多，从放大元器件来分，可以用功率晶体管、可关断晶闸管、混合元件来组成放大电路；从工作原理来分，有单电压、高低电压切换、恒流斩波、调频调压、细分驱动电路等。从工作原理上讲，目前用的最多的是恒流斩波电路。CNC系统对步进电机驱动电源的要求是要能提供幅值足够、前沿较好的激磁电流，并且本身功耗小，效率高，运行可靠平稳。基于以上原则，作者采用了SH-20806C型步进电机驱动器，该型驱动器用于驱动四通电机42、45、56、57、86BYG系列以及其他品牌两相混合式步进电机，采用改善半步运行模式。由于采用了H桥恒相流驱动方式，并允许较大的输入电压范围，保证了电机的快速响应。尤其是采用特殊技术消除了标准半步驱动方式下的力矩波动，从而使电机出力提高约40，同时抑制了振动，降低了噪音。超大规模集成电路的使用结合四通电机成熟完善的功率电子技术，使该款驱动器具有高功率，小体积，性能突出，成本低廉的特点。适用于分辨率要求不高，大批量，低成本的应用场合。5.4 变频器的选择5.4.1 变频器的结构它主要包括接线端子和操作面板两大部分。操作面板用来进行内部控制方式的各种操作和各种参数的设置。接线端子使变频器和电动机、外部控制信号连接。常用控制信号接线端子的功能如下表所示。端子号端子名称端子功能相关参数的设定值1频率设定用电位器输入端电位器的固定端接端子1、3，中心引线接2。调节电位器，即可改变设定频率P09:应设为22频率设定模拟量输入端3公共端5运行/停止输入端5与3导通，变频器RUN，否则STOPP08：应设为46正转/反转输入端6与3导通，电动机正转，否则反转10开路式输出端根据P25的设定值的不同，10、11接通的意义不同。详细说明请参考使用说明书。11开路式输出端A继电器触头输出端A-C为常开触头、B-C为常闭触头，根据P26的设定值的不同，触头导通的意义不同。详细说明请参考使用说明书B继电器触头输出端C继电器触头输出端5.4.2 运行方式VFO超小型变频器有内部运行和外部运行两种运行模式。内部运行模式由操作面板上的各种控制键实现变频器频率的设定和运行、停止以及正、反转控制。外部运行模式用连接在1、2、3端子上的外部电位器设定变频器的频率以及用连接在5、6与3之间的开关的闭合、断开来控制变频器的运行、停止和正反转。5.5 定位模块的选择三菱公司的FX2N系列PLC 在工业控制中应用非常广泛,利用其强大的功能指令能开发出较复杂的控制功能,如专用数控机床上常用的两轴联动功能。但要设计出有变频升降速等一系列很完善的两轴联动功能,编程烦琐,同时系统的控制速度很难达到。因此,在开发如专用数控刨床、数控雕刻机、自动碾铆机等一些专用设备时,往往用PLC 扩展专用模块FX2N- 20GM 来负责那些复杂的控制功能。20GM 是三菱公司的两轴定位控制单元,属于带CPU 的智能模块,它可实现完善的直线插补、圆弧插补等控制功能;它与PLC 并行工作,不但提高了控制功能及速度,而且大大简化了编程工作。选用FX2N-20GM脉冲发生单元（后面称作“PGU”），通过给伺服电机驱动器或步进电机驱动器发脉冲，可实现两轴定位（可实现两轴联动控制）。作为PLC的一种特殊模块，可单独工作，也可与PLC连接使用。当与FX2N系列的PLC连接使用时，利用模块自带扁平电缆直接与PLC的扩展口或扩展模块扩展口连接；模块地址依与PLC连接的顺序从左往右分别为#0、#1、#2、；与PLC之间使用FROM和TO 指令传递数据与命令。5.5.1 主要控制信号FX2N-20GM脉冲发生单元主要控制信号的功能和意义，如下表所示：Y轴X轴连接器管脚号连接器管脚号名称功能COM11COM211START自动操作开始输入端212STOP停止运行输入端313ZRN手动回原位输入端414FWD正向旋转控制输入端515RVS反向旋转输入端616DOG原位信号输入端717LSF正向限位开关输入端818RSF反向限位开关输入端919COM1输入信号公共端COM41COM31SVRDY伺服准备好2,122，12COM6（Y）COM3（X）1、11的公共端66FP正向脉冲输出端7、8、17、187、8、17、18VINFP、RP的电源输入（5V、24V）9、199、19COM9（Y）COM5（X）FP、RP的公共端1111SVEND伺服定位完成1313PG0原位开关输入端1414COM8（Y）COM4（X）原位开关公共端1616RP反向脉冲输出端5.5.2 主要参数FX2N-20GM脉冲发生单元主要参数如下表所示：参数编号缓冲区地址名称功能与意义X轴Y轴字节0920094002单位体系确定定位值、速度值的单位（0、1、2）。1920294022脉冲率电动机转动一圈所需脉冲数量2920494042进给率电动机转动一圈，运动机构的位移量3920694062最小命令单元脉冲当量（0、1、2、3）4920894082最大速度运动机构可以达到的最大速度5921094102手动速度手动时，运动机构的运动速度6921294122点动速度点动时，运动机构的运动速度7921494142最低速度运动机构最低运动速度8921694162加速时间速度从零上升到设定工作速度的时间9921894182减速时间速度从运行工作速度下降到零的时间11922294222脉冲输出0-双脉冲输出，1-单脉冲输出12922494242旋转方向0-正脉冲正转，1-正脉冲反转13922694262同原位速度同原位时，运动机构的速度14922894282同原位爬行速度同原位时，运动机构的爬行速度15923094302原位坐标值同原位后的坐标设定值19923894382DOG输入逻辑0-常开触头，1-常闭触头20GM的大部分参数均可由PLC进行读写操作，少部分参数只能进行读操作。5.6 控制电路设计通过RS-232串行通信电缆连接PC和PLC，PC作为上位机，PLC作为下位机，PC机主要用来编制PLC程序，有时也发送控制信息。各功能模块是由PLC直接控制的，如PLC控制20GM，20GM是位置控制单元，它既可以实现单轴定位控制，又可以实现两轴联动位置控制。（1） 步进电机联动控制电路设计FX2N-20GM