大直徑鉆銑床

word文檔可自由復(fù)制編輯word文檔可自由復(fù)制編輯word文檔可自由復(fù)制編輯摘要本設(shè)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,它的主控系統(tǒng)采用Siemens的SINUMERIC802Cbaseline控制,由流水線上的PLC信號作為引導(dǎo),利用光柵尺作為反饋信號。在本次設(shè)計過程中,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，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(gòu)采用滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)完成機床的橫、豎向運動，機械導(dǎo)向機構(gòu)采用滾珠導(dǎo)軌與滑動導(dǎo)軌相結(jié)合的方式完成橫、豎向?qū)?。?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(chǔ)。數(shù)控機床在零件的加工中，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；步進電機

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目錄概述...........................................................................1.1課題的提出....................................................................數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和趨勢......................................................國內(nèi)數(shù)控機床的發(fā)展情況..................................................數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和趨勢................................................1.3系統(tǒng)設(shè)計方案..................................................................1.4系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容..................................................................機械部分的設(shè)計與計算..............................................................導(dǎo)向機構(gòu)的設(shè)計................................................................執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計................................................................2.2.1豎向運動裝置.............................................................2.2.2橫向運動裝置.............................................................2.3傳動機構(gòu)設(shè)計和計算..........................................................2.3.1縱向運動裝置.............................................................2.3.2橫向運動裝置............................................................2.3.3伺服電機的設(shè)計、校驗.....................................................2.3.4傳動齒輪的設(shè)計與校驗.....................................................電控部分設(shè)計......................................................................3.1SINUMERIK802Cbaseline的系統(tǒng)介紹............................................系統(tǒng)的電氣組成原理示意圖......................................................3.3可編程序控制器(PLC)及其應(yīng)用...................................................3.4系統(tǒng)的主電路原理圖............................................................3.5系統(tǒng)的I/O電路原理圖......................................................................3.6控制系統(tǒng)......................................................................3.7電柜設(shè)計......................................................................3.8系統(tǒng)的電源電路原理圖..........................................................3.8.1控制變壓器...............................................................3.8.2I/O系統(tǒng)電源及輔助控制電路.................................................3.9光柵尺的基本原理..............................................................3.10運行程序.....................................................................結(jié)論.............................................................................設(shè)計體會...........................................................................致謝..............................................................................參考文獻.............................................................................1概述1.1課題的提出目前，在國內(nèi)的數(shù)控機床中,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(dǎo)，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(chǔ)。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(fù)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(shè)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(zhì)量；有廣泛的適應(yīng)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)控機床是計算機輔助設(shè)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(chǔ)。但是，數(shù)控機床的初投資及維修技術(shù)等費用較高，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)控機床，可以降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益和競爭能力。1.2數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和趨勢1.2.1國內(nèi)數(shù)控機床的發(fā)展情況我國從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(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。在這一時期，數(shù)控線切割機床由于結(jié)構(gòu)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(shù)，以及從美國、德國等國引進了一些新技術(shù)。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(zhì)量上產(chǎn)生了一個質(zhì)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(shù)復(fù)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(shù)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(shù)的基礎(chǔ)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?，F(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。1.2.2.數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和趨勢隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)的進步，以及社會對產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)量、高柔性和低成本的新一代制造設(shè)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(chǔ)設(shè)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(shù)的發(fā)展來實現(xiàn)。數(shù)控技術(shù)體現(xiàn)在數(shù)控裝置、伺服驅(qū)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(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(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(jié)構(gòu)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(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(yīng)自動化技術(shù)的進一步發(fā)展，適應(yīng)工廠自動化規(guī)模越來越大的要求，紛紛采用MAP等高級工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，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(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(shè)計、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間MTBF=10000-36000小時。（二）伺服驅(qū)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。現(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(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(shù)。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(qū)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(yīng)不同類型的機床，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/r5.補償技術(shù)得到發(fā)展和廣泛應(yīng)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(shù)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、電子計算機以及專用編程機來完成，然后再輸入給數(shù)控裝置。現(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(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。機床主機數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)適應(yīng)數(shù)控技術(shù)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(gòu)、“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(shè)計。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?qū)Φ毒哌M行調(diào)換，保證了產(chǎn)品質(zhì)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。適應(yīng)控制（Adaptivecontrol）數(shù)控機床增加更完善的適應(yīng)控制功能是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。適應(yīng)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(diào)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(yīng)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(diào)整的“約束適應(yīng)控制”，發(fā)展到檢測調(diào)控多參數(shù)的“最佳適應(yīng)控制”和“學(xué)習控制”。1.3系統(tǒng)設(shè)計方案在本次設(shè)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SINUMERIC802Cbaseline控制,由流水線上的PLC信號作為引導(dǎo)。機械執(zhí)行機構(gòu)采用滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)完成機床的橫、豎向運動。機械導(dǎo)向機構(gòu)采用滾珠導(dǎo)軌與滑動導(dǎo)軌相結(jié)合的方式完成橫、豎向?qū)颉?.4系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容執(zhí)行元件的選擇：選擇時應(yīng)考慮負載能力、調(diào)速范圍、運行精度等多方面要求，步進電機應(yīng)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(shè)計要求的速度不高，所以步進電機最為適合。傳動機構(gòu)方案的選擇：傳動機構(gòu)實質(zhì)上是執(zhí)行元件和執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)：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(shè)計選擇了滾珠絲杠。橫向傳動機構(gòu)：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(dǎo)向機構(gòu)的選擇：導(dǎo)向機構(gòu)即導(dǎo)軌，主要有滑動和滾動兩大類?；瑒訉?dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單、制造方便和抗振性好，利于豎直導(dǎo)向，所以豎直導(dǎo)向裝置采用滑動軌。而滾珠導(dǎo)軌精度高，導(dǎo)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(dǎo)向及精度較高場合，所以本次設(shè)計水平導(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。2機械部分的設(shè)計與計算2.1導(dǎo)向機構(gòu)的設(shè)計導(dǎo)向機構(gòu)其作用是支撐和導(dǎo)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(dǎo)軌副之間摩擦情況，導(dǎo)軌可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。滑動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，制造方便個，剛度好，抗震性高。滾動導(dǎo)軌的導(dǎo)向面之間放置滾珠，滾珠或滾針等滾動體來實現(xiàn)兩導(dǎo)軌無滑動地相對運動。這種導(dǎo)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(shè)計采用了滑動導(dǎo)軌和滾珠導(dǎo)軌相結(jié)合的方式，因為滑動導(dǎo)軌是機械產(chǎn)品應(yīng)用廣，滾珠導(dǎo)軌傳動精度高。2.2執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)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(guān)控制步進電機停轉(zhuǎn)，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。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(zhuǎn)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(gòu)設(shè)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=2800N，絲杠的工作長度為0.566m，平均轉(zhuǎn)速1500r/min，最大轉(zhuǎn)速2200r/min。2.計算載荷FcF=KKKF因為精度等級為D級所以K=1.0 C F H A m AF＝KKKF據(jù)參文3?。?1.2，K0.07(5.9533.12)mm=1.0，Ｋ＝1.0 FH AFc=1.21.01.02800=3360N3．額定動載荷 3 nL 220012000 C＝F m h ＝33603＝39141.3N a C 1.67104 1.67104計算的額定動載荷為39141.3N＜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=80mm導(dǎo)程：P10mm螺旋角：＝216'滾珠直徑：d＝5.953mm滾道半徑：R0.52d＝0.525.953＝3.1mm偏心距：e0.07(Rd2)＝=0.308mm0絲杠內(nèi)徑：d＝D＋e－2R 1 0＝80＋0.308－23.1＝74.108mm4．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(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)，其值應(yīng)大于絲杠副傳動允許安全系數(shù)[S]。計算臨界載荷Fcr2EIFcr＝a彈性模量E＝2.061011Pa(l)2Id464＝3.14(0.074108m)464＝7.4108m4據(jù)3?。?/322.0610117.4108Fcr＝=376729.54N2(0.3)23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]＝2.2～3.3S>S即絲杠安全,不會失穩(wěn)。絲杠需要驗算其不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速n，要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速crf2dｎn。ｎ＝9910c 1max cr cr (l)2根據(jù)參考文獻3選取ｆ=3.927，μ=2/3c3.ｎ＝9910=133782r/mincr(0.670.3)2ｎn＝2200ｒ/min。所以絲杠不會發(fā)生共振。（3）要滾絲杠副Dn70000mmr/minDｎ＝401500＝0000mmr/min〈70000mmr/min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(dǎo)程的變形為： PF P2TL 0 EA2GJc在本次設(shè)計中取摩擦系數(shù)為tan0.0025，即0.1432所以T＝130040/2103tan(3.63330.1432)＝1.72N·ｍ PF P2T L 0EA2GJC 4101032800 16(10103)21.87 = 3.142.061011(0.0350612)23.14283.3109(0.0350612)4=4.358103μm則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為LLl0=0.410000004.3581031102P=2.675μm要求L1/21/20.03mm15m該絲杠的導(dǎo)程誤差滿足上式，故其剛度滿足要求。6．效率驗算滾珠絲杠副的傳動效率為tan/tan()=tan（3.6333)/tan（3.63330.1432）=0.936要求在0.9—0.96之間，所以此絲杠副是合格的。2.3.2橫向運動裝置1．導(dǎo)軌型號的選擇滑座上的載荷為F=2400N，Ls=6m，每分鐘往復(fù)次數(shù)2，工作時間L=12000hhF=F/M=2400/4=600NTs=2TLsn/103h=2120006460/1000=4608km計算動載荷CawswsfKT3 3 250C=F=600=6691.8Nafff1.01.00.81 H T C查表2-15～2-18f=1.0，f=1.0，f=2.0，f=0.8 H T w CK為壽命系數(shù)，一般取K=50㎞因為6691.8N<17500N,所以選擇HJG－D55型滾動直線導(dǎo)軌。2．滾珠絲杠副的選擇計算(1)．已知：平均工作載荷Fm=600N，絲杠工作長度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 m max右，材料為鋼，滾道硬度為60HRC，傳動精度0.03mm,求計算載荷F。CF＝ＫKKF C F H A m查表2-6取K=1.2，查表2-7取K=1， F H因為精度等級為D級，因此K＝1.0所以Fc＝0.81.01.060＝480N(2)．計算額定動載荷計算值Ca3nLC＝FmhaC1.67104150012000＝48031.67104＝4921.45N額定動載荷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=40mm0螺旋角：＝255滾珠直徑：d＝5.381ｍｍ滾道半徑：＝0.52d=0.522.381=1.238mm偏心距：ｅ=0.07R－d/2）＝0.07(1.2385.381/2）=3.29103mm絲杠內(nèi)徑：d＝D＋e－2R=22.54mm 1 0(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(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)，其值應(yīng)大于絲杠副傳動允許安全系數(shù)[S]計算臨界載荷Fcr2EIFcr＝a(l)2剛彈性模量E＝2.061011Pa根據(jù)已知條件：I＝d4/64=3.140.022544/64=1.26108m4根據(jù)參考文獻3，μ/322.0610111.26108Fcr＝=89970.04N2(0.8)23安全系數(shù)：S＝Fcr/Fm=85686/600=149.96查表2－10知[S]＝2.2～3.3SS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(zhuǎn)速f2d ｎ＝9910c 1 cr (l)2根據(jù)參考文獻3取f＝3.927，μ＝2/3c3.ｎ＝9910=121084r/mincr (0.670.8)2ｎn＝2500ｒ/min。所以絲杠不會發(fā)生共振。(5)．滾珠絲杠求n70000mmr/minDｎ＝25150037500mmr/min〈70000mmr/min以該絲杠副工作穩(wěn)定，符合設(shè)計要求。(6)．剛度驗算 PF P2T D滾珠絲杠導(dǎo)程變形量：LＴ＝F0tan（） 0 EA2GJ m2c在本次設(shè)計中取摩擦系數(shù)為tan0.0025，即0.1432T＝60012.5103tan(255+0.1432）=0.52N·m PF P2T 4PF 16P2T L = m+ 0EA2GJ Ed22Gd4 C 1 1 46103600 16(6103)20.52 = 3.142.061011(0.02254)23.14283.3109(0.02254)4=4.254102um因此絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為LLl0=0.84.254102/4=8.5mP要求L1/21/20.03mm15m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(shè)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(dǎo)程：P＝4mm初設(shè)傳動比為：i=2則360.i/P=360.0.0052/4=0.9P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(zhuǎn)矩T＝2.2Nm，＝1.5，轉(zhuǎn)動慣量sＪｍ＝46.1105kgm2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絲杠長度L6000mm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=1.96108N/mB絲杠螺母間的接觸剛度K=1.02109N/m系統(tǒng)脈沖當量=0.005mm空載啟動時間t=40ms最大進給速度Vmax=2m/min定位精度0.01mm傳動比計算i=P/360.P=0.66/360.1/0.005=2當量負載的轉(zhuǎn)動慣量計算J=d4l/323.147.8103(0.05)40.035J==2.58104kg·m2z1 323.147.8103(0.1)40.020J==3.42103kg·m2 Z2 323.147.81030.01840.8j==3.26103kg·m2 S 32Ｊd=J+1/i2(J+j)+(p/2i)2m z1 Z2 S=4.158104kg·m2慣量匹配驗算Jd4.158104 = =0.9Jm4.61104Jd因為滿足1/41要求，說明慣量匹配合理。Jm負載能力校驗J=Jm+Jd=4.61104+4.158104=8.768104kg·m2空載啟動時，電機軸上的慣量轉(zhuǎn)矩：Tj=J=Jmaxt 23.142 2 =8.768104 =1.84Nm 0.004 5040103電機軸上的當量摩擦轉(zhuǎn)矩： P 0.006 Tu= F=60100.2=0.158Nm 2i 23.140.980.9252其中電機傳動鏈的總效率為=0.980.925設(shè)滾珠螺副的預(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軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩為： P P 1 T0=F(12)=F (12) 2i 0 0 2iwmax3 0 0.004 1500 = (10.92) 23.140.980.9252 3=0.036Nm刀頭上的最大軸向載荷折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩為 P 0.004 Tw= F =1500=0.9Nm 2iwmax 23.140.980.9252于是空載啟動時，電機軸上的總負載轉(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，電機軸上的總負載轉(zhuǎn)矩為：T=Tw+Tu+To=0.9+0.158+0.036=1.961Nm空啟動所需電機最大靜轉(zhuǎn)矩為：T=Tq/0.951=2.138Nm在T=T/（0.3—0.5）=5.93—3.56Nm s2 1因為Ts=5.0NmT=2.138Nm，所以，伺服電機能運轉(zhuǎn)。s1系統(tǒng)剛度計算絲杠最大，最小拉壓剛度為：d2E3.140.01822.061011 K = = =2.35109N/m Lmax4L 40.06mind2E3.140.01822.061011 K = = =3.96108N/m Lmin4L 40.38max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，求絲杠螺母機構(gòu)的綜合拉壓剛度： 1 1 1 1 K 2KBK K 0min Lmin N 1 1 1 = =6.23109N/m21.961083..961081.02108所以K=1.61080min 1 1 1 1 1 1 1 = K 2KBK K 21.961082.281091.02108 0max Lmax N=2.55109+4.391010+9.81010 K =2.5108N/m（7）固有頻率算絲杠質(zhì)量為：m=1/4d2L s P=1/43.140.01820.87.8103=4.05kg刀頭共振系統(tǒng)的最低固有頻率為K0minncm1/3ms1.6108==1764r/s501/34.05折算到絲杠軸上系統(tǒng)的總當量轉(zhuǎn)動慣量為：J=Ji2=8.6571044=3.46103kg.m2如忽略電機軸及減速器的扭轉(zhuǎn)變形，系統(tǒng)的最低扭轉(zhuǎn)振動固有頻率為：1.6104sdJKTmin==2011rad/snt3.4610sdJK和都很高,說明系統(tǒng)動態(tài)特性好。（8）計算設(shè)齒輪傳動和絲杠螺母機構(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： 2mgu250100.2 3 10=1.36103mmmax k 1.61080min<p0.005mm說該系統(tǒng)能滿足單脈沖進給的要求。（9）由系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差計算 1 1=F( )103 kmax uk k 0min 0max 1 1 =50100.2( ）=0.0021mm1.61082.5108)由于定位精度為0.01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傳動齒輪的設(shè)計與校驗已知：輸入電機轉(zhuǎn)矩T1=5.0Nm，大齒輪轉(zhuǎn)速n=620r/min，齒數(shù)比u=4，由步進電機驅(qū)動工作壽命15年，兩班制，工作平穩(wěn)雙向傳動。1．選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)。選用直齒圓柱齒輪傳動。由參考文獻8選取大小齒輪的材料均為45#，齒面硬度為162--217HBS。選取精度等級為7級.選小齒輪齒數(shù)Z=20，Z=uZ=80 1 2 12．齒面接觸強度(1)選載荷系數(shù)K=1.3(2)由參考文獻8t查得材料的彈性影響系數(shù)Z=143.7MPaE(3)由參考文獻8選取齒寬系數(shù)0.4 (4)由參考文獻8查得大小齒輪的接觸疲勞強度極限d =320MPa Hlim1 Hlim2(5)進行應(yīng)力循環(huán)次數(shù)計算N1=60njL=6050021(2830015)=4.32109 1 hN2=N1/i=8.64109/2=2.16109 (6)由參考文獻8查得接觸疲勞壽命系數(shù)K =0.88，K =0.90 HN1 HN2(7)接觸疲勞許用應(yīng)力的計算假設(shè)失效概率為0.01,取安全系數(shù)s=1=KHN1Hlim=0.88320/1=281.6MPa H1 s =K /S=0.9320/1=288.0MPa H2 HN2 Hlim23．計算尺寸31.3784021143.7 (1)小齒輪分度圓直徑d2.32 ( )2 1t 0.4 2 284.149.86mm(2)齒輪的圓周速度為:V=dn/601000=3.1449.865002601000=2.61m/s(3)尺寬:B=d=0.449.86=19.8mm(4)齒模模數(shù)m=d/z=49.86/25=1.99mm t 1t 1齒高h=2.25mt=2.251.99=4.378mm(5)計算載荷系數(shù)根據(jù)V=2.61/m/s，7級精度，所以根據(jù)參考文獻8,查得動載荷系數(shù)為Kv=1，因為所選齒輪為直齒輪，初選KFt/b100Nm，由參考文獻8,查得K=K=1.1由參考文獻8,得使用系數(shù)HFK=1;K=1.6;K=1.64 A H FK=KKKK=11.111.6=1.75 A v3t3tKK(6)對分度圓直徑進行校正d=d=49.83=61.43mm 1 1t1.3(7)模數(shù)尺寸m=d/z=61.43/25=2.457mm初選各傳動齒數(shù)Z=20Z=40 1 2m=2.5mmB=35mmB=20mm 1 24．按齒根彎曲強度計算設(shè)計(1)由參考文獻8查得大小齒輪的彎曲疲勞強度極限=60MPa FE1 FE2 彎曲疲勞壽命系數(shù)K =0.89，K =0.90 FN1 FN2初選疲勞安全系數(shù)S=1.4 =K /S=38.2MPaF1=KFN1FE1/S=38.5MP F2 FN2 FE2(2)計算載荷系數(shù)K=KKKK=11.11.64=1.804(3)由參考文獻8,取YA=2.8v，Y=2.40 F1 F2(4)計算應(yīng)力,校正各項系數(shù)由參考文獻8,取Y =1.55，Y =1.67 S1 S2 (5)計算大小齒輪的YY / F1 S1 FYF1YS1=2.81.55/38.20.1113F2YF2YS2=2.41.67/38.5=0.104F2根據(jù)計算進行比較,小齒輪的數(shù)值大。(6)計算模數(shù)：21.80480000.1113m3=2.34mm2.5mm0.4252故取m=2.5mmd=61.43mZ=d/m=61.43/2.5=24.5Z=25Z=Z225=50 1 2 15．幾何尺寸的計算(1)確定齒輪中心距的大小a=（d+d/2）=（62.5+125/2）=93.75mm 1 2(2)齒輪分度圓直徑的大小:d=mZ=2.525=62.5mm 1 1d=mZ=2.550=125mm(3)齒寬度大小為:B=d=0.462.5=25mm取B=25m，B2=37mm3電控部分設(shè)計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個步進電機進給軸和一個伺服主軸或變頻主軸。連接SIMODRIVE611U或SIMODRIVEbaseline。當系統(tǒng)匹配SIMODRIVE611U或SIMODRIVEbaseline時，連接1FK7系列伺服電機。SINUMERIK802Cbaseline的系統(tǒng)組成·CNC控制器集成式、緊湊型CNC控制器，配置8”液晶顯示器、全功能操作鍵盤、機床操作界面。·驅(qū)動器和電機伺服進給驅(qū)動SIMODRIVE611U或者SIMODRIVEbaseline帶1FK7系列伺服電機。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)動器到電機的電纜為編碼器電纜和電機動力電纜。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)自動控制裝置之一。它以其可靠性高、邏輯功能強、體積小、可在線修改控制程序、具有遠程通信聯(lián)網(wǎng)功能、易于與計算機接口、能對模擬量進行控制、具備高速計數(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、時間繼電器、計數(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機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,功率為22KW,由2KM1、2KM2控制其正、反轉(zhuǎn)以實現(xiàn)刀頭左右方向運動。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)計機床廠在設(shè)計電柜時應(yīng)注意以下事項:(1)電柜應(yīng)有冷卻或通風裝置，在使用風扇時必須在進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)電柜的防護等級為IP54。(4)接地應(yīng)遵守國標GB/T5226.1-2002/IEC60204-1:2000“機械安全機械電氣設(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CNC控制器牌浮地狀態(tài)時，如果使用RS232接口，必須采用RS232隔離器（訂貨號：6FX2003-0DS00),否則會燒壞接口。(7)電柜中布線時，交流電源線（如85VAC,220VAC,380VAC,變頻器到主軸電機的電纜）必須與24VDC電纜和信號線電纜分開走線。(8)如果機床使用變頻器作為主軸驅(qū)動單元，在設(shè)計電柜時應(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);步進驅(qū)動85VAC必須采用獨力的隔離變壓器（驅(qū)動變壓器380VAC->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