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1 摘要 數(shù)控技術(shù)作為現(xiàn)代制造業(yè)的核心技術(shù)之一，在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，在機(jī)械制造行業(yè)當(dāng)中， 數(shù)控銑床 由于可以以較高的精度實現(xiàn)多工種加工已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中不可缺少的加工設(shè)備。據(jù)原有的普通銑床 床，將其數(shù)控化改造確定電動機(jī)的功率，根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)選擇合適的變頻器，流驅(qū)動器等，根據(jù)精度的要求和轉(zhuǎn)速，確定機(jī)床的電器設(shè)計和私服系統(tǒng)的設(shè)計，并進(jìn)行一定的參數(shù)效核，并完成改造后機(jī)床部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ； 完成銑床數(shù)控化的電氣設(shè)計 ； 完成電器原理設(shè)計和機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計 ； 完成改造所需的電器部件的選擇和其參 數(shù)的效核 ； 完成相應(yīng)的設(shè)計說明書 ； 完成于本設(shè)計相關(guān)的論文一篇 ； 完成銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以裝么配圖的方式表述 ； 完成改造后的裝配圖。 關(guān)鍵詞 ： 數(shù)控技術(shù)； 銑床 ； 改造 ； 控制電路 2 ne of C as in of in to in to to to of DC to to of W of of of of of of to to a in to do of 3 目 錄 摘要 .................................................................. 1 ............................................................. 2 第 1章 緒論 ........................................................... 5 控銑床 ....................................................... 5 控銑床的簡介 ........................................... 5 ............................................ 5 ............................................ 5 控銑床的分類 ........................................... 6 控銑床的用途和工藝特點(diǎn) ................................. 6 ................................................. 7 ........................................ 7 .................................... 7 ........................................ 7 ................................................. 8 第 2章 總體改造方案的設(shè)計 ............................................. 9 6130普通銑床的用途 .......................................... 10 .................................................. 10 .................................................. 10 .......................................... 12 ......................................... 12 ............................................. 12 ......................... 13 ....................... 14 ........................................... 15 ......................................... 17 第 3章 電氣原理圖設(shè)計 ................................................ 19 .......................................................... 19 4 ........................................................ 20 ...................................................... 21 .................................................... 22 軸電機(jī)電路 .................................................. 23 置 .............................................. 24 置 .............................................. 25 章小結(jié) ...................................................... 26 第 4章 數(shù)控銑床內(nèi)置 .................................. 26 紹 ..................................... 26 件的安裝 ............................... 28 目管理 ................................. 30 建立新項目 ............................................. 31 保存項目 ............................................... 32 系統(tǒng)通訊 ............................... 32 控銑床系統(tǒng) ，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服性能、主軸驅(qū)動、機(jī)床結(jié)構(gòu)等提山了更高的性能指標(biāo)； 迅速發(fā)展和 將對數(shù)控機(jī)的可靠性、通信功能、人工智能和自適應(yīng)控制等技術(shù)提出更高的要求。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的性能日益完蓋，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。數(shù)控銑床是在數(shù)控加丁中心領(lǐng)域中最具代表性的一種典型機(jī)床，在數(shù)控機(jī)床中所占的比率最大，數(shù)控加工中心、柔性制造單元等都是數(shù)控銑床基礎(chǔ)上派生或發(fā)展起來的。它具有功能性強(qiáng)、加工范圍廣、工藝較復(fù)雜等特點(diǎn)，主要用于各種復(fù)雜的平面、輪廓、曲面等零件的銑削加工，同時還可以進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鏜、攻螺紋等加工，在航空航天、汽車制造、機(jī)械加工和 模具制造業(yè)中應(yīng)用非常廣泛 [1]。 數(shù)控 銑 床加工零件的主要過程主要包括一下內(nèi)容： （ 1）根據(jù)被加工零件的圖樣與工作方案，用規(guī)定的代碼與程序格式，將刀具的移動軌跡、加工工藝過程、工藝參數(shù)、切削用量等編寫成數(shù)控系統(tǒng)能夠識別的指令形式，即編寫加工程序。 （ 2）將所編寫的加工程序輸入數(shù)控裝置。 （ 3）數(shù)控裝置對輸入的程序（代碼）進(jìn)行譯碼、運(yùn)算處理，并像各坐標(biāo)軸的伺服驅(qū)動裝置和輔助功能控制裝置發(fā)出相應(yīng)的控制信號，以控制車床各部件的運(yùn)動。 （ 4）在運(yùn)動過程中，數(shù)控系統(tǒng)需隨時檢測車床坐標(biāo)軸的位置、 行程開關(guān)的狀態(tài)等，并與程序的要求相比較，以決定下一步動作，直到加工出合格的零件。 （ 5）操作者隨時對車床的加工情況、工作狀態(tài)進(jìn)行觀察和檢查，必要時還需要對車床動作和加工程序進(jìn)行調(diào)整，以保證車床安全、可靠的運(yùn)行 [2]。 數(shù)控銑床一般由數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床基礎(chǔ)部件、主軸箱、進(jìn)給伺服系統(tǒng)及輔助裝置等幾大部分組成。 (1)數(shù)控系統(tǒng) 6 數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床運(yùn)動控制的中心，通常數(shù)控銑床都配有高性能、高精度、集成軟件的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、刀具補(bǔ)償、固定循環(huán)、用戶宏程序等功能，能完成絕 大多數(shù)的基本銑削以及鏜削、鉆削、攻螺紋等循環(huán)加工。 (2)機(jī)床基礎(chǔ)部件 通常是指底坐、立柱、工作臺、橫梁等，是整個機(jī)床的基礎(chǔ)和框架。 (3)主軸箱 包括主軸箱和主軸傳動系統(tǒng)，用于裝刀具并帶動刀具旋轉(zhuǎn)、主傳動大多采用專用的無級調(diào)速電動機(jī)驅(qū)動。 (4)進(jìn)給伺服系統(tǒng) 由進(jìn)給電動機(jī)和進(jìn)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進(jìn)給速度實現(xiàn)刀具和工件之間的相對運(yùn)動，其主軸垂直方向進(jìn)給運(yùn)動及工作臺的橫向和縱向進(jìn)給運(yùn)動均由各自的交流伺服電機(jī)來驅(qū)動。 (5)輔助裝置 包括液壓、氣動、潤滑、冷卻系統(tǒng)和排屑 、防護(hù)等裝置。 控銑床的分類 數(shù)控銑床品種繁多，規(guī)格不一，可按通用銑床的分類方法分為以下 3類： (1)數(shù)控立式銑床：數(shù)控立式銑床主軸軸線垂直于水平面，這種銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，應(yīng)用范圍也最廣。日前三坐標(biāo)數(shù)控立式銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，一般可進(jìn)行三軸聯(lián)動加工。 (2)臥式數(shù)控銑床：臥式數(shù)控銑床的主軸軸線平行于水平面。為了擴(kuò)大加工范同和擴(kuò)充功能，臥式數(shù)控銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)臺或萬能數(shù)控轉(zhuǎn)臺的方式來實現(xiàn)四軸和五軸聯(lián)動加工。這樣既可以加工工件側(cè)面的連續(xù)同轉(zhuǎn)輪廓，又可以實現(xiàn)在一次裝夾中通過轉(zhuǎn) 臺改變零件的加工位置也就是通常所說的工位，進(jìn)行多個位置或工作面的加工。 (3)立臥兩用轉(zhuǎn)換銑床：這類銑床的主軸可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可在同一臺數(shù)控銑床上進(jìn)行立式加工和臥式加工，同時具備立臥式銑床的功能 [3]。 控銑床的用途和工藝特點(diǎn) 銑床是用銑刀進(jìn)行銑削加的機(jī)床，銑床的加工情況如圖 1示。在銑床上，用不同銑刀可以對平面、斜面、溝槽、臺階、 尾槽等表面進(jìn)行加工，另外配上分度頭或叫回轉(zhuǎn)臺還可以加工齒輪、螺旋面、花鍵軸、凸輪等各種成型表面。故銑床的萬能性強(qiáng)，應(yīng)用范圍很廣。銑床的主參數(shù)是工作臺 面寬度及長度。 銑床的工藝特點(diǎn)如下： 7 (1)銑床的主軸帶動銑刀作旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動； (2)銑刀是多齒、多刃連續(xù)進(jìn)行切削； (3)多數(shù)銑床由工作臺帶動工件作直線進(jìn)給運(yùn)動； (4)銑刀在切削時，每個刀齒的切削過程是斷續(xù)的，同時參加切削的齒數(shù)是變化的，每個刀齒的切削厚度也是變化的，因此容易引起機(jī)床振動； (5)銑削時，銑刀同時參加切削的齒數(shù)較多，便于采用較大的銑削速度和進(jìn)給量，因而生產(chǎn)效率高 [4]。 國的數(shù)控產(chǎn)業(yè) 當(dāng)前，我國的數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過渡的關(guān)鍵時 期。也是由封閉型系統(tǒng)向開放型系統(tǒng)過渡的時期。我國數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù)上（包括核心技術(shù)），已達(dá)到國外先進(jìn)水平。日前，已新開發(fā)出數(shù)控系統(tǒng) 80種。自“七五”以來，國家一直把數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來支持，現(xiàn)已開發(fā)出具有中國版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，掌握了國外一直對我國封鎖的一些關(guān)鍵技術(shù)。 當(dāng)前，我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是國內(nèi)市場占有率偏低。據(jù)有關(guān)資料表明，1999年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場占有率僅為 造成這種嚴(yán)峻的形勢，除客觀原因外，主要是產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性 不過硬?！笆濉逼陂g，我國機(jī)械制造工業(yè)止朝著精密化、柔性化、集成化、自動化、智能化方面迅速發(fā)展，國內(nèi)數(shù)控機(jī)床需求強(qiáng)勁，我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)適逢極好的發(fā)展機(jī)遇。然而，我國加入 ，國外生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床將會更多的進(jìn)入我國市場，市場競爭更為激烈。提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場占有率，關(guān)鍵在于提高質(zhì)量和可靠性。幾年來，經(jīng)過對國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)剖析和使用性能的調(diào)研，探索和總結(jié)了數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的新技術(shù) [5]。 現(xiàn)時主要存在有以下幾個問題： (1)缺乏產(chǎn)業(yè)規(guī)模 (2)缺乏發(fā)展數(shù)控產(chǎn)業(yè)的政策和技術(shù)配套體系 (3)缺乏 技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)品更新和產(chǎn)業(yè)調(diào)整的內(nèi)在往動力 (4)面臨同外強(qiáng)手競爭的巨大壓力 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、制造技術(shù)的進(jìn)步和人類生活水平的提高，以及社會對產(chǎn)品質(zhì)量和品種的多樣化的要求趨勢日益增強(qiáng)。中、小批量生產(chǎn)的比例明顯增加，對 8 數(shù)控機(jī)床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市場能提供不同加工需求，能迅速高效、低成本地構(gòu)筑面向用戶的控制系統(tǒng)，并大幅度地降低維護(hù)和培訓(xùn)的成本，同時還要求具有網(wǎng)絡(luò)功能，以適應(yīng)未來車間面向任務(wù)和定單的生產(chǎn)組織和管理模式。特別是進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以來，隨著國際上計算機(jī) 技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)正在不斷采用計算機(jī)、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就。目前，國外數(shù)控機(jī)床的性能正朝著高速化、高精度、高效率、高柔性、高自動化、高可靠性、智能化、復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化、開放式體系結(jié)構(gòu)等方向迅速發(fā)展，這將對數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的質(zhì)量和可靠性提出更高的要求?！笆濉逼趩?，我國機(jī)械制造行業(yè)必須瞄準(zhǔn)國際數(shù)控機(jī)床發(fā)展的科學(xué)前沿，開拓創(chuàng)新，消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)，開創(chuàng)我國數(shù)控機(jī)床設(shè)計和制造技術(shù)的新局面 [6]。 控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn) （ 1）加工對象改型的適應(yīng)性強(qiáng) 由于在數(shù)控機(jī)床上改變加工零件時，只需要 重新編制程序就能實現(xiàn)對零件的加工，它不同于傳統(tǒng)的車床，不需要制造、更換許多工具、夾具和檢具，更不需要重新調(diào)整車床。因此，數(shù)控車床可以快速的從加工一種零件轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸ち硪环N零件，這就為單間，小批以及試制新產(chǎn)品提供了極大的便利。它不僅縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，而且節(jié)省了大量工藝裝備費(fèi)用。 （ 2）加工精度高 數(shù)控車床是以數(shù)字形式給出的指令進(jìn)行加工的，由于目前數(shù)控裝置的脈沖當(dāng)量（即每輸出一個脈沖后數(shù)控機(jī)床移動的部件相應(yīng)的移動量）一般達(dá)到 且進(jìn)給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進(jìn)行補(bǔ)償，因此，數(shù) 控車床能達(dá)到比較高的加工精度和質(zhì)量穩(wěn)定性。這可是由數(shù)控車床結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了必要的措施，以及機(jī)電結(jié)合的特點(diǎn)決定的。首先是在結(jié)構(gòu)上引入了滾珠絲杠螺母機(jī)、各種消除間隙的結(jié)構(gòu)等，使機(jī)械傳動的誤差盡可能??；其次是采用了軟件精度補(bǔ)償技術(shù)，使機(jī)械誤差進(jìn)一步減??；第三是用程序控制加工，減少了人為因素對加工精度的影響。這些措施不僅保證了較高的加工精度，同時還保證了較高的質(zhì)量穩(wěn)定性。 （ 3）生產(chǎn)效率高 零件加工所需要的時間包括機(jī)動時間與輔助時間兩部分。數(shù)控車床能有效的減少這兩部分時間，因而加工生產(chǎn)率比一般車床高的多。數(shù)控車床主軸 轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的范圍比普通車床的范圍大，每一道工序都能選用最有力的切削用量，良好的結(jié)構(gòu)剛性允許數(shù)控車床進(jìn)行大切削用量的強(qiáng)力切削，有效的節(jié)省了機(jī)動時間。數(shù)控車床移動部件的快速移動和定位采用了加速與減速的措施，因而選用了很高的空行程運(yùn) 9 動速度，消耗在快進(jìn)、快退和定位的時間要比一般車床少的多。 數(shù)控車床的加工精度比較穩(wěn)定，一般只做首件檢驗或工序間關(guān)鍵尺寸的抽樣檢驗，因而可以減少機(jī)停檢驗的時間。在使用帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控車削中心的數(shù)控車床時，在一臺機(jī)床上實現(xiàn)了多道工序的連續(xù)加工，減少了半成品的周轉(zhuǎn)時間，生產(chǎn)效率 的提高就更為明顯。 （ 4）自動化程度高 數(shù)控車床對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作面板、裝卸零件、關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行之外，其他的機(jī)床動作直至加工完畢，都是自動連續(xù)完成，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動強(qiáng)度與緊張程度均大為減少，勞動條件也得到相應(yīng)的改善。 （ 5）良好的經(jīng)濟(jì)效益 使用數(shù)控車床加工零件時，分?jǐn)傇诿總€零件上的設(shè)備費(fèi)用是比較昂貴的。但在單件、小批量生產(chǎn)條件下，可以節(jié)省工藝裝備費(fèi)用、輔助生產(chǎn)工時、生產(chǎn)管理費(fèi)用以及降低廢品率等，因此能夠獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。 （ 6）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 用數(shù)控車床加工零件，能夠準(zhǔn)確的計算工件加工的工時，并有效的簡化了檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些特點(diǎn)都有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化 [7]。 第 2 章 總體 改造 方案的設(shè)計 10 6130 普通銑床的用途 原 式萬能升降臺銑床是屬于通用機(jī)床，主要適用于加工單件、小批量生產(chǎn)和工具修理部門，也可以用于成批生產(chǎn)部門?？衫酶鞣N圓柱銑刀、圓片銑刀、成型銑刀和端面銑刀等，銑削各種平面、斜面、成型表面、溝槽及齒輪等。還可以利用分度頭，可以加工各種螺旋槽。對于它的數(shù) 控化改造用于擴(kuò)大加工范圍，提高加工精度，提高工作效率，滿足生產(chǎn)急需是非常必要的，從經(jīng)濟(jì)角度上也是可行的。 體設(shè)計任務(wù) 將原來的 改造成加工精度高、定位準(zhǔn)確、可靠，擴(kuò)大其加工范圍，提高加工效率，各性能參數(shù)有所提高，使其可以銑削圓弧面與斜面等形狀復(fù)雜的高精度零件 (如凸輪軸 )。 體設(shè)計方案 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床的改造，為了保證被改造后的性能不低于原銑床，選 X、 平拖動力按 15算，則所需的功率為： P=5?果采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動元件，步進(jìn)電機(jī)達(dá)不到此功率要求。 例如： 200應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，最大靜轉(zhuǎn)矩為 最高運(yùn)行頻率為11000s，步距角為 1/6°，若取最高工作頻率下的工作扭矩為靜扭矩的 1/4，則高速小的功率為： ?????? ?因此，如果選用步進(jìn)電機(jī)，必須相應(yīng)地降低機(jī)床的某些性能，主要是快 速性。另一方面由于步進(jìn)電機(jī)在低速工作時有明顯的沖動，易自激振蕩，而且激振頻率很可能落入銑削加工所用的進(jìn)給速度范圍內(nèi)，著對加工極為不利，造成工件超差。此外，由于步進(jìn)電機(jī)沒有過載能力，高速時扭矩下降很多，容易丟失，大功率步進(jìn)的驅(qū)動較困難等，選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動是不合適的。 若采用直流或交流伺服電機(jī)的閉環(huán)控制方案，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，調(diào)試和維修困難得多，造價也高。閉環(huán)控制可以達(dá)到很好的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動系統(tǒng)中各種誤差，消除間隙，干擾等對加工精度的影響，一般應(yīng)用于要求高的數(shù)控設(shè)備中，由于所改造數(shù)控銑床工件的加工 精度不十分高，采用閉環(huán)系統(tǒng)的必要性不大。 11 若采用直流或交流伺服電機(jī)的半閉環(huán)控制 ,其性能介于開環(huán)和閉環(huán)之間 過載能力強(qiáng) ,有采用反饋控制因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制 ;反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機(jī)械傳動元件 ,調(diào)試比閉環(huán)簡單 ,系統(tǒng)的穩(wěn)定性較易保證 ,所以比閉環(huán)容易實現(xiàn) 調(diào)試比開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)要困難些 ,設(shè)計上也有自身的特點(diǎn) 交流調(diào)試逐漸擴(kuò)大了其使用范圍 ,似乎有取代直流伺服的趨勢 技術(shù)難度高 ,普及不廣 ,而且價格高 機(jī)原理接近于直流電機(jī) ,控制系統(tǒng)技術(shù)比較成熟 ,普及廣。 用直流伺服電動機(jī)的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成如圖 2控裝置 后轉(zhuǎn)換成位置誤差的模擬電壓。這個電壓是速度指令電壓。速度指令電壓與速度反饋電壓在速度控制器內(nèi)比較和放大后轉(zhuǎn)換成速度控制電壓并輸給伺服電動機(jī)，使電機(jī)得到一定的轉(zhuǎn)速。直流伺服電動機(jī)的基本性能是：轉(zhuǎn)速決定于輸入電壓，電流決定于負(fù)載力矩。因此，輸入直流伺服電動機(jī)的，必須是速度模擬電壓。速度環(huán)的作用在于把位置誤差模擬電壓變成一個比較穩(wěn)定的速度模擬電壓。 速度反饋的作用在于使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。位置控制則用以檢查伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)角是否符合位置指令的要求。 圖 2閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成 圖 2控裝置來的位置指令 圖 2閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理 位置反饋系統(tǒng)檢測出的實際位置檢測值 中比較。其差值為位置偏差值Δ D。Δ 放大后成為速度指令值 D、 是數(shù)字量。 數(shù) /模 (D/A)轉(zhuǎn)換器 3 成為模擬電壓 置偏差越大，則要求伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，這時的 越 大。因此， 速度指令電壓。 12 速度反饋電壓 內(nèi)比較，其差值為速度偏差電壓 置速度反饋的目的是穩(wěn)定電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速還受負(fù)載的影響，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化（如切深發(fā)生變化）時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化。加上速度反饋后轉(zhuǎn)速可以比較穩(wěn)定。速度偏差電壓 放大后，成為速度控制電壓 個電壓加在伺服電機(jī) 6上，使它得到角速度θ m。與伺服電動機(jī)相聯(lián)系的有速度反饋裝置 7和位置反饋裝置 8。速度反饋裝置發(fā)出與伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的速度反饋電壓 速度指令電壓 。位置反饋裝置 8發(fā)出與伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)角成正比的實際位置檢測值 位置指令值 縱向 進(jìn)給 系統(tǒng)的設(shè)計 給系統(tǒng) 設(shè)計 進(jìn)給運(yùn)動是由 私服 電動機(jī)由一級消隙齒輪經(jīng)滾珠絲杠螺紋副，帶動工作臺移動。其中在縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造布置中，滾珠絲杠、軸承支架固定在工作臺上，隨工作臺移動。步進(jìn)電動機(jī)經(jīng)降速齒輪和滾珠絲杠的螺母固定在床鞍上，通過滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)工作臺與床鞍之間的相對移動。滾珠絲杠螺母副，它的特點(diǎn)是在具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動元件，以減少摩擦，絲杠與螺母之間基本上為 滾動摩擦。 滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)有： 1） 傳動效率高，摩擦損失小，使用壽命長。 2） 給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空程死區(qū)，防止失步；定位精度高，剛度好。 3） 有可逆性 絲杠和螺母都可以作為主運(yùn)動件，故可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，也可以從直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 4） 運(yùn)動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。 現(xiàn)在以工作壽命和實際加工過程中的最大銑削力為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計計算，以確保平常工作狀態(tài)下的工作安全和可靠 。 工件材料為 ： 40鍛件并調(diào)質(zhì) 銑削寬度 ： 22 13 銑削深度 ： 5 刀具直徑 d ： 32? 齒切厚 ： 刃齒數(shù) Z ： 4 刀具材料為 ：高速剛立銑刀 ??????? ??????? ≈ 1500N 用高速鋼立銑刀逆銑合金剛時 ,工件的切削力可查 ?數(shù)控機(jī)床書 ?中得 : 縱向進(jìn)給力 （取中間值： 1500=1650N 橫向進(jìn)給力3 5 ~ 0 （取中間值： 1500=直進(jìn)給力2 ~ 0 （取中間值： 1500=375N 故可知在插補(bǔ)平面內(nèi)的合 力為 : 22 ? =1734N 那么絲杠所受的平均工作載荷： 22 1 7 4 3 1 1 6 233 N? ? ?所以絲杠軸向所受載荷 )(' ? ?? 其中 oF=275N 14 縱向工作臺及夾具重量 2200N ? 為顛覆力矩影響系數(shù) ? 取 為當(dāng)量摩擦系數(shù) M 取 么 1162 + (2200+1275) =1903N 初始估計絲杠的基本導(dǎo)程為 80 ?現(xiàn)在根據(jù)最大當(dāng)量動載荷計算公式： f ? 式中： 9.0?N ）， 1903 壽命值，可據(jù)公式 61060 n 為絲杠平均轉(zhuǎn)速（ r / 11 0 0 0 * 2 28?=156.3 r/中： 01000? 15 取最高進(jìn)給速度 m a x 2 . 5 ( m i n )V m m?的 12則： 61060 T 使用壽命時間，據(jù)查《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床設(shè)計手冊》取 T=15000小時 L 66 0 1 5 6 . 3 1 5 0 0 010??? ≈ 而， f ? 3 1 4 0 . 6 2 5 1 9 0 3 1 . 20 . 9???13194N? 的計算 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計原理》滾珠絲杠的傳動效率η的計算公式為： ? ??? ?? ?? ? 絲杠的螺旋升角，由以上參數(shù)表知， ? = '339? ? 摩擦角，滾珠絲杠副的摩擦角θ≈ 10′ 則可得： )01392393??? ??? =97% 剛度驗算滾珠絲杠受工作負(fù)荷 起的導(dǎo)程的變化量 01 ??? /中：彈性 模量對于鋼為： E=21ⅹ 26 /10 滾珠絲杠橫截面積： F（ 2 而： F=22322d ??? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? =94 2 16 則： 01 ??? /61 9 0 3 0 . 8 1 0 . 2 1 02 1 1 0 7 . 1 ??? ? ? ? ??? 珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 2L? 很小，可以忽略，故1??； 故導(dǎo)程的變形誤差為： 11 0 0 1 0 0 1 0 . 20 . 8? ? ? ?=12.8 m? /m 查表得 1 15 m? /m ，故剛度足夠。 穩(wěn)定性的驗算臨界壓縮載荷的驗算 由于縱向（ 滾珠絲杠兩 端采用的是滾珠絲杠螺紋副固定，絲杠一般不會受壓，又由于機(jī)床的原普通絲杠的直徑大于滾珠絲杠的直徑，故穩(wěn)定性一定能滿足要求。 臨界轉(zhuǎn)速的驗算 由計算得已知絲杠平均工作轉(zhuǎn)速為 1 5 6 . 3 m i n 1 0 0 m i nn r r?? 因此，必須進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速的驗算，即：2m a ?? 其中式中符號表示： m a 0 0 0 * 2 . 5 3 1 2 . 5 m i a ? ? 2f 絲杠支承方式系數(shù)取 f （因為沒有受壓） 910 22225 = 3417 絲杠的長度。 l = 工作最大行程 + 螺母長 度 + 兩端余量（取 40 螺母長度由《機(jī)床零部件設(shè)計》上可查得，絲杠設(shè)計部分 l = 680 + （ 131 + 40）× 2 = 680 + 342 = 1022撐跨距 1l 取 1l= 1100 臨界轉(zhuǎn)速計算長度 680 + 131 + 40 + 1100 10222?= 811 + 40 + 39 = 8904 . 7 3 0 . 0 3 499100 . 8 9 2?? =9533 /可見滿足： m a x 3 1 2 . 5 / m i n r??所以滿足穩(wěn)定性的要求。 給系統(tǒng) 計算 (1)計算工作臺、絲杠以及齒輪折算到軸上的慣量 根據(jù)《機(jī)電一體化基礎(chǔ)》所 提供的計算公式： ? ????????? ??????????????????? 2221 21?式中：( 2 ； 21,大齒輪的慣量 )( 2 ； ( 2 ； (N , 2156? ； P ( ； 18 齒輪及絲杠轉(zhuǎn)動慣量的計算：由于有些傳動件（如齒輪、絲杠等）的轉(zhuǎn)動慣量不易精確計算，可將其等效成圓柱體來近似計算。 圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量可依據(jù)公式：324?? 式中： ? 材料密度 )( 3對鋼取 35108.7 ?? ； d 圓柱體直徑 )((對于齒輪、絲杠等就是其等效直徑 )； l 圓柱體長度 )((對于齒輪、絲杠等就是其等效齒寬或長度 ) 則： 32 1411?? 543 . 1 4 7 . 8 1 0 8 5 . 032?? ? ? ?? 20 7 K g 32 2422?? 543 . 1 4 7 . 8 1 0 1 3 . 3 4 . 532?? ? ? ?? 21 8 K g 3240 ? 543 . 1 4 7 . 8 1 0 5 1 0 2 . 232?? ? ? ?? 20 9 K g 則可算得： ? ? ???????? ??????????????????? 2221 21?? ? 221 2 2 0 0 0 . 80 . 1 5 7 1 . 0 7 8 0 . 4 8 91 . 6 7 9 . 8 2 3 . 1 4??? ? ? ?? ? ? ? ???? ? ? ??? ? ? ??? 22 5 K g ≈ ，內(nèi)循環(huán)浮動返向器 縱向進(jìn)給 銑削圓周力：500N 則有 縱向進(jìn)給 絲杠牽引力： 19 +G =1500+4410× 562N 則有負(fù)載力矩： T = ? ?? ? ????????? ???其中： ? F 可取安全系數(shù)極限值 有：= ?? ??? a m a xm a x 1000 1 0 0 0 1 . 6 26676 0 6 0 0 . 0 1 z??? ? ??第 3 章 電氣原理圖設(shè)計 述 本數(shù)控銑床是采用德國西門子 統(tǒng)控制的三軸機(jī)，將所有 通訊任務(wù)集成于一個單一的部件。免維護(hù)的 件集成了 口用于驅(qū)動和 I/O 模塊并具有速裝結(jié)構(gòu)的超薄操作面板。作為驅(qū)動系統(tǒng) 分配獨(dú)立的接口，因而各軸驅(qū)動的功率獨(dú)立配置。 指令集可直接適用于 20 機(jī)床。系統(tǒng)不僅能夠執(zhí)行通常的 件加工程序，而且可以使用非西門子的 G 代碼。 采用主要元部件 a) 制系統(tǒng)、三軸驅(qū)動電機(jī)。 b) 主軸采用 1流主軸電機(jī)及相應(yīng)的驅(qū)動裝置，或變頻主軸。 c) 全數(shù)控鍵盤（水平結(jié)構(gòu)）。 d) 通過 接的 I/O 模塊 8。 e) 通過 接的 用驅(qū)動系統(tǒng)。 f) 電子手輪。 整個系統(tǒng)接線框 圖如下圖 示： 圖 統(tǒng)接線框圖 電路 數(shù)控銑床主電路主要包括電源的進(jìn)線，總開關(guān)，冷卻、潤滑、排屑、刀庫等輔助功能的電機(jī)連接，如果因伺服動力電不是 380V，還需要動力變壓器和控制變壓器的變壓電路。 由圖 以看到，該機(jī)床采用三相五線制供電，電網(wǎng)三相 380V 電 21 總開關(guān) 入至電氣柜，給各支路供電， 有分離脫扣，當(dāng)打開控制柜時，行程開關(guān) 閉觸點(diǎn)斷開， 開，實現(xiàn)了機(jī)床關(guān)機(jī)。機(jī)床排屑、冷卻、潤滑及刀庫電動機(jī)都配有過載保護(hù)開關(guān) 作用相當(dāng)于 作用。限壓保護(hù)器件，起到在電動機(jī)頻繁起停時起防干擾作用。 伺服供電是為 X/Y/Z 三軸伺服驅(qū)動器供電?？刂齐娫词菫榱斯┙o整個數(shù)控系統(tǒng)制電源、 輸入輸出供電和繼電器供電。 圖 電路 制電路 數(shù)控銑床控制電氣圖主要完成數(shù)控系統(tǒng)上下電的控制，主電路接觸器和電磁閥控制。如下圖 示 如下圖 示，依靠 出繼電器 現(xiàn)了排屑電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。依靠 出繼電器 現(xiàn)了刀庫電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。依靠 成冷卻電機(jī)的控制。依靠 出繼電器 成潤滑泵電機(jī) 22 的控制。依靠 出繼電器 成刀庫電磁閥的放松控制。依靠 出繼電器 成刀庫電磁閥的夾緊控制。依靠 出繼電器 成銑床主軸電磁閥的夾緊控制。 圖 制電路 服電氣圖 數(shù)控系統(tǒng)是通過輸出模塊 別對 X、 Y、 Z 軸伺服驅(qū)動器進(jìn)行控制，通過脈沖的形式達(dá)到控制的要求。圖 系統(tǒng) 服驅(qū)動器的接線圖。 23 圖 服電路 如圖 示， X、 Y、 Z 軸伺服驅(qū)動器 口輸入為三相 220V 交流電，通過空氣開關(guān) 制其上電與否。 服驅(qū)動器的控制端為 照對應(yīng)的針腳和數(shù)控系統(tǒng)伺服控制端口進(jìn)行正確的接線。伺服驅(qū)動器 口為伺服電機(jī)編碼器接入端口。 B+和 U、 V、 W 接伺服電機(jī)。 軸電機(jī)電路 數(shù)控銑床主軸電機(jī)通過變頻器控制主軸的轉(zhuǎn)速和主軸的正反轉(zhuǎn)、為了能夠精確的控制主軸的轉(zhuǎn)速，這個我們用模擬量控制，通過旋轉(zhuǎn)編碼器組成一個閉環(huán)回路，其具體電路如圖 示 24 圖 軸電路 如上圖 示， 變頻器上電，變頻器模擬量輸入端口接 口，編碼器接數(shù)控系統(tǒng) 60 端口，其中編碼器連線要用雙絞屏蔽線，這樣是為了防止干擾。 置 入電路 系統(tǒng)內(nèi)集成電路 一個模塊上有 個接口，每個接口有 8 個數(shù)字量輸入點(diǎn)，一共 24 個數(shù)字量輸入點(diǎn)。通過端子轉(zhuǎn)換器連接到各輸入元件上。 圖 接口 入信號電氣圖，輸出接口功能在圖中上方已經(jīng)標(biāo)明，維修時根據(jù)其功能來查找所對應(yīng)的輸入信號。例如如果機(jī)床無法停機(jī)，分 析時首先依據(jù)電氣圖，找到急停按鈕的分配輸入點(diǎn)，輸入點(diǎn)為 后利用 /O 狀態(tài)或梯形圖查看 否已經(jīng)輸入，或利用萬用表檢測常閉觸點(diǎn)兩個點(diǎn)是否導(dǎo)通。 25 圖 置 字量輸入端口 置 出電路 系統(tǒng)內(nèi)集成電路 一個模塊上有 個接口，每個接口有 8個數(shù)字量輸出點(diǎn)，一共 16 個數(shù)字量輸出點(diǎn)。通過端子轉(zhuǎn)換器連接到各接線端子和輸出繼電器上。 圖 接口 出信號電氣圖，輸出接口功能在圖中上方已經(jīng)標(biāo)明，維修時根據(jù)其功 能來查找所對應(yīng)的輸入信號。例如如果機(jī)床冷卻功能故障，分析時首先依據(jù)電氣圖，找到冷卻輸出的地址為 出的繼電器為 后利用 ，或利用萬用表檢測繼電器圈是否已經(jīng)閉合，觸點(diǎn)是否已經(jīng)接通。 26 圖 置 出電路 章小結(jié) 本章主要是對整個數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行設(shè)計，包括系統(tǒng)主電路、控制電路、伺服電機(jī)、主軸電機(jī)電路、內(nèi)置 、輸出電機(jī)進(jìn)行設(shè)計。通過本章的設(shè)計，讓我們對整個系統(tǒng)系統(tǒng)硬件接線進(jìn)行跟詳細(xì)的了解。 第 4 章 數(shù)控銑床內(nèi)置 制系統(tǒng)設(shè)計 紹 西門子系列不可缺少的編輯工具，是集編輯，通訊， 27 調(diào)試，診斷為一體的軟件，是西門子系列軟件中主動脈。 如下特點(diǎn)。 1．能夠應(yīng)用于系統(tǒng)各種型號。 2. 利用 優(yōu)越性，使操作性飛躍上升，能夠?qū)?成的說明數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，粘貼，并有效利用。 (1) 標(biāo)號編程 用標(biāo)號編程制作可編程控制器程序的 話，就不需要認(rèn)識軟組件的號碼而能夠根據(jù)標(biāo)示制作成標(biāo)準(zhǔn)程序。用標(biāo)號編程做成的程序能夠依據(jù)匯編從而作為實際的程序來使用。 (2) 功能塊 功能塊是以提高順序程序的開發(fā)效率為目的而開發(fā)的一種功能。把開發(fā)順序程序時反復(fù)使用的順序程序回路塊零件化，使得順序程序的開發(fā)變得容易。此外，零件化后，能夠防止將其運(yùn)用到別的順序程序時的順序輸入錯誤。 (3) 宏 只要在任意的回路模式上加上名字（宏定義名）登錄（宏登錄）到文文件，然后輸入簡單的命令就能夠讀出登錄過的回路模式，變更軟組件就能夠靈活利用了。 4. 能夠簡單設(shè)定和其它站 點(diǎn)的鏈接由于連接對象的指定被圖形化而構(gòu)筑成復(fù)雜的系統(tǒng)的情況下也能夠簡單的設(shè)定。 5. 可編程控制器 接方式。 (1) 串行通訊口 (2) 3) 以太網(wǎng)通信 (4) 通信 (5) 線通信 (6) 線通信 6. 豐富的 調(diào)試 功能 (1) 由于 運(yùn) 用了梯形 圖邏輯測試 功能，能 夠 更加 簡單 的 進(jìn) 行 調(diào)試 作 業(yè) 。 (a) 沒 有必要再和可 編 程控制器 連 接。 28 (b) 沒 有必要制作使用的 順 序程序。 (2) 在 幫 助中有 誤， 特殊 繼電 器 /特殊寄存器的 說 明，所 以對 于 在 線 中 發(fā)生錯誤， 或者是程序制作中想知道特殊 繼電 器 /特殊寄存器的 內(nèi) 容的情 況 下提供非常大的便利。 (3) 資 料制作中 發(fā)生錯誤 情 況時 ， 會顯 示是什么原因或 是顯 示消息，所以 數(shù) 據(jù)制作的 時間 能 夠 大幅 度縮 短。 件的安裝 安裝 件步驟如下： 啟動 統(tǒng)，找到 件夾里 03010307 文件夾下的 標(biāo)，雙擊 標(biāo) ， 進(jìn) 入安 裝向?qū)?界面，在出 現(xiàn) 的“ 從 以下列表中 選擇 安 裝語 言”中 選擇 “英 語 ”后，按“確定”， 如 圖 示 圖 選擇設(shè)置語言 在隨后出現(xiàn)的友好歡迎界面“ 按照默認(rèn)，按下“ 鈕，示。接著會出現(xiàn)“ 面中，同意協(xié)議選擇“ 鈕，如圖 示。 29 圖 裝歡迎界面 圖 軟件證書確認(rèn)協(xié)議 會 出 現(xiàn) “ 冊 信息提示 欄， 在此填上自己的姓名與公司，確認(rèn) 后按下“ 鈕 ，如 圖 示 圖 戶注冊信 息提示界面 然后會出現(xiàn)“ 面，如圖 示，按下“ 鈕改變安裝路徑，按下“ 鈕返回上一步，可以改變用戶信息，再此不改變默認(rèn)安裝路徑，直接按下“ 入“ 面，將多種安裝語言全部勾選后按下“ 鈕，進(jìn)入安裝環(huán)節(jié)，如圖 示。 30 圖 擇安裝路徑 圖 選擇安裝語言 圖 軟件安裝 圖 安裝完成 安裝環(huán)節(jié)需要等待幾分鐘，之后會出現(xiàn)“ 面，點(diǎn)擊“ 成安裝，如圖 示