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機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù) 38.1簡(jiǎn)介 38.2自動(dòng)化技術(shù) 38.3數(shù)字控制技術(shù) 38.4數(shù)控編程 38.5自適應(yīng)控制 38.6物料儲(chǔ)運(yùn) 38.7工業(yè)機(jī)器人 38.8傳感器技術(shù) 38.9柔性?shī)A具 38.10基于裝配、拆卸、維修的設(shè)計(jì) 38.1 簡(jiǎn)介 在20世紀(jì)50年代之前，大部分制造工藝都是通過(guò)車(chē)床、銑床、沖床等傳統(tǒng)機(jī)床來(lái)完成的，這些設(shè)備缺乏柔性并且需要具備一定技術(shù)的工人來(lái)操作。每生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，就必須更換設(shè)備，并重新安排物料的儲(chǔ)運(yùn)方式。 一個(gè)新的產(chǎn)品或復(fù)雜形狀的零部件的開(kāi)發(fā)需要經(jīng)過(guò)操作者無(wú)數(shù)次的試驗(yàn)來(lái)確定合適的工藝參數(shù)。更進(jìn)一步，由于人為因素的影響，制造那些極其相似的零件需進(jìn)行重復(fù)的工作且浪費(fèi)時(shí)間。 這些事實(shí)表明此類(lèi)制造工藝效率低下并且在整個(gè)生產(chǎn)成本中勞動(dòng)力成本占了很大比重。特別是面對(duì)國(guó)內(nèi)外的競(jìng)爭(zhēng)壓力，在提高制造設(shè)備效率的同時(shí)，必須降低勞動(dòng)力成本的比重。 生產(chǎn)率也是人們關(guān)注的主要焦點(diǎn)之一。生產(chǎn)率是指每個(gè)工人每小時(shí)的產(chǎn)量，也就是資源的最優(yōu)化利用率，它是工作效率的基本度量標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，以勞動(dòng)力成本為代表的部分成本也開(kāi)始降低了。 如何才能提高生產(chǎn)率呢？到20世紀(jì)40年代時(shí)，操作設(shè)備的機(jī)械化水平已基本上達(dá)到了頂峰。機(jī)械化是指利用各種機(jī)械、液壓、氣動(dòng)技術(shù)或者電氣設(shè)備來(lái)完成一個(gè)工序或操作過(guò)程。例如，用一個(gè)簡(jiǎn)單的手動(dòng)起子開(kāi)啟一個(gè)瓶子需要浪費(fèi)很多時(shí)間和體力，并會(huì)使人感到單調(diào)乏味。而利用一個(gè)電動(dòng)開(kāi)瓶器，僅需要很少時(shí)間和力氣，不過(guò)這項(xiàng)工作仍然沉悶乏味，過(guò)一會(huì)兒，它的效率也會(huì)下降。 要清楚的是，在上述機(jī)械化系統(tǒng)中，操作者依然直接控制各工藝過(guò)程，他必須一步一步去檢查機(jī)器的工作性能。比如說(shuō)，加工過(guò)程中刀具破損了，熱處理中工件過(guò)熱了，磨削中表面粗糙度增高了或者加工中尺寸公差極度變大，在上述情況發(fā)生時(shí)，操作者必須及時(shí)控制并改變一些相關(guān)的工藝參數(shù)。 制造系統(tǒng)效率提高的下一個(gè)階段就是自動(dòng)化。在20世紀(jì)40年代中期，自動(dòng)化一詞被美國(guó)汽車(chē)工業(yè)界所引用，當(dāng)時(shí)是指機(jī)械制造中零部件的自動(dòng)化傳送。在過(guò)去的40多年里，隨著計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)在類(lèi)型和應(yīng)用范圍上都有了很大的突破。 本章大綱如圖38.1所示。首先，回顧了自動(dòng)化技術(shù)的歷史和淵源，并闡述了自動(dòng)化技術(shù)如何將各種操作和動(dòng)作集成起來(lái)，應(yīng)用于制造工廠(chǎng)中，以提高工廠(chǎng)的生產(chǎn)效率。其次，通過(guò)數(shù)控技術(shù)和自適應(yīng)控制技術(shù)介紹了機(jī)械系統(tǒng)控制的基本原理。 圖38.1 第38章題綱 制造的實(shí)質(zhì)是指物料處理。也即原料和零件在工廠(chǎng)內(nèi)各加工階段的運(yùn)動(dòng)。文中介紹了各種各樣的物料處理系統(tǒng)是如何發(fā)展而來(lái)的，特別是那些用來(lái)提高生產(chǎn)率的工業(yè)機(jī)器人。另外文中還介紹了一些關(guān)于傳感器技術(shù)的知識(shí)，傳感器是機(jī)器、工藝過(guò)程、制造系統(tǒng)控制和優(yōu)化色主要組成元素。 柔性?shī)A具和自動(dòng)化裝配是兩個(gè)新的發(fā)展方向。這兩項(xiàng)技術(shù)能夠使我們充分利用先進(jìn)制造技術(shù)，特別是柔性制造系統(tǒng)。同時(shí)，也使我們更好地利用計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)以及它對(duì)制造技術(shù)其他方面地影響。 38.2自動(dòng)化技術(shù) 通常對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的定義是：自動(dòng)化是使機(jī)器按照預(yù)定的工作順序動(dòng)作的工作過(guò)程，在此過(guò)程中，運(yùn)用特殊的設(shè)備、儀器來(lái)控制，很少甚至沒(méi)有人的參與。如第38.8節(jié)和第39章描述的那樣，通過(guò)應(yīng)用各種儀表、傳感器、以及其他技術(shù)和設(shè)備，它們能夠檢測(cè)和控制整個(gè)工藝過(guò)程的各個(gè)方面，并能夠?qū)ぷ鬟^(guò)程中的變化作出判斷和控制決定，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。 自動(dòng)化并不是一個(gè)創(chuàng)造性的概念而是在逐漸演化中形成的。它已經(jīng)在工業(yè)實(shí)踐的以下基礎(chǔ)領(lǐng)域成功地實(shí)現(xiàn)： 1. 工藝過(guò)程。機(jī)械加工、鍛造、沖壓、鑄造、以及磨削是廣泛應(yīng)用自動(dòng)化的典型例子。 2. 物料傳送。通過(guò)無(wú)人導(dǎo)向的數(shù)控裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)原材料在各工步間的傳送。 3. 檢驗(yàn)。自動(dòng)檢驗(yàn)零件的質(zhì)量、尺寸精度和表面粗糙度，其中包括在線(xiàn)檢測(cè)和加工完畢之后的檢驗(yàn)。 4. 裝配。單個(gè)零件被自動(dòng)化裝配后形成部件，然后，部件裝配得到產(chǎn)品。 5. 包裝。自動(dòng)化產(chǎn)品包裝線(xiàn)。 38.2.1自動(dòng)化技術(shù)的演化 許多金屬加工工藝起源于公元前4000年（見(jiàn)表38.1），但是直到18世紀(jì)50年代工業(yè)革命初期，自動(dòng)化技術(shù)才被引入到產(chǎn)品的生產(chǎn)加工過(guò)程中，如六角車(chē)床、自動(dòng)螺紋加工車(chē)床、以及殼體加工設(shè)備等都是在19世紀(jì)90年代以至20世紀(jì)初才發(fā)展起來(lái)的。大批大量生產(chǎn)技術(shù)和自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)興起于上世紀(jì)20年代。 這些擁有自動(dòng)化裝置的設(shè)備主要用來(lái)生產(chǎn)某些特定的產(chǎn)品。在汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用的高效低成本的轎車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)就是它們的典型代表。 自動(dòng)化技術(shù)的最大突破來(lái)自于20世紀(jì)50年代初期的機(jī)床數(shù)控技術(shù)。這次歷史性的發(fā)展給制造自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)了許多巨大的成果。其中，包括計(jì)算機(jī)在自動(dòng)化技術(shù)中得以應(yīng)用、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、自適應(yīng)控制、工業(yè)機(jī)器人、以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（包括CAD、CAE、CAM）等。 表38.1制造自動(dòng)化發(fā)展史 日期 發(fā)展 1500～1600 水力金屬加工機(jī)械、貨幣軋機(jī) 1600～1700 手搖木頭加工車(chē)床、機(jī)械式計(jì)算器 1700～1800 鏜床、車(chē)床、螺紋加工車(chē)床、鉆床 1800～1900 仿形車(chē)床、六角車(chē)床、萬(wàn)能銑床、高級(jí)機(jī)械式計(jì)算器 1808 用于自動(dòng)控制紡織機(jī)編織花紋的打孔薄鋼片 1863 自動(dòng)演奏鋼琴 1900～1920 齒輪車(chē)床、自動(dòng)螺紋機(jī)床、自動(dòng)殼體加工機(jī)床 1920 機(jī)器人一詞首次出現(xiàn) 1920～1940 自動(dòng)傳輸線(xiàn)、大批量生產(chǎn) 1940 首臺(tái)電子計(jì)算機(jī) 1943 首臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī) 1945 首次提出自動(dòng)化一詞 1948 晶體管的發(fā)明 1952 首臺(tái)數(shù)控機(jī)床模型 1954 發(fā)明自動(dòng)控制程序的編程語(yǔ)言、提出自適應(yīng)控制原理 1957 數(shù)控機(jī)床廣泛應(yīng)用 1959 集成電路、首次應(yīng)用成組工藝 1960 工業(yè)機(jī)器人 1965 大規(guī)模集成電路 1968 PLC出現(xiàn) 1970 首個(gè)集成制造系統(tǒng)、機(jī)器人點(diǎn)焊技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身 20世紀(jì)70年代 微處理器、微型機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)、成組技術(shù) 20世紀(jì)80年代 人工智能、智能機(jī)器人、智能傳感器、微小制造單元 20世紀(jì)90年代 集成制造系統(tǒng)、基于傳感器的智能化機(jī)械 無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)和全球制造網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯裝置、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng) 38.2.2自動(dòng)化技術(shù)的目標(biāo) 自動(dòng)化技術(shù)的基本目標(biāo)如下： A 實(shí)現(xiàn)制造各部分的集成化，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和一致性，使生產(chǎn)周期和勞動(dòng)量最小化，降低勞動(dòng)成本。 B 通過(guò)優(yōu)化的生產(chǎn)控制來(lái)降低制造成本，提高生產(chǎn)率。零件的裝卸進(jìn)給、機(jī)器人的使用、以及生產(chǎn)組織更加高效。 C 提高產(chǎn)品質(zhì)量 D 降低人為因素干擾、個(gè)人情緒影響以及發(fā)生人為錯(cuò)誤的可能性。 E 減少人工傳遞過(guò)程中的工件損壞。 F 保證工人的安全性，特別是在危險(xiǎn)工作環(huán)境下的工人。 G 更加高效地安排廠(chǎng)房?jī)?nèi)的機(jī)器設(shè)備、物料傳送設(shè)備及輔助設(shè)備，從而節(jié)約占地面積。 自動(dòng)化和產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量 生產(chǎn)數(shù)量是決定產(chǎn)品生產(chǎn)類(lèi)型和生產(chǎn)自動(dòng)化水平的重要因素。下面我們首先介紹一些基本的生產(chǎn)術(shù)語(yǔ)。 總生產(chǎn)量是指生產(chǎn)零件的總量，包括各種不同的批量。生產(chǎn)批量對(duì)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益影響很大，具體影響將在第39章詳細(xì)講述。生產(chǎn)率是指單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量――比如每天、每月、每年。表38.2列出了一些典型產(chǎn)品的年生產(chǎn)量的大概范圍。比如說(shuō)，眾所周知，實(shí)驗(yàn)器材和產(chǎn)品模型的生產(chǎn)數(shù)量是最少的。 表38.2 產(chǎn)品生產(chǎn)類(lèi)型及近似年產(chǎn)量 生產(chǎn)類(lèi)型 近似年產(chǎn)量 典型產(chǎn)品代表 試驗(yàn)設(shè)備或模型 1～10 單件小批 10～5000 飛機(jī)、特種機(jī)械、模具、珠寶鉆石、醫(yī)用矯形裝置、導(dǎo)彈等 成批生產(chǎn) 5000～100000 卡車(chē)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)、計(jì)算機(jī)配件、運(yùn)動(dòng)器材 大批大量生產(chǎn) 100000以上 轎車(chē)、儀器儀表、緊固件、食品以及飲料瓶等 小批量的產(chǎn)品一般在單件小批生產(chǎn)車(chē)間制造（見(jiàn)圖38.2），運(yùn)用一些通用加工機(jī)床或加工中心來(lái)完成（見(jiàn)第24章）。這些加工過(guò)程具有很大的柔性，就是說(shuō)在短時(shí)間內(nèi)完成不同零件的加工，并不需要很大程度地改變刀具和設(shè)備參數(shù)。但另一方面，它需要具有較高技術(shù)水平的工人來(lái)操作這些設(shè)備且加工效率低下，從而導(dǎo)致單件成本較高（參見(jiàn)圖38.3）。產(chǎn)品的生產(chǎn)需要大量勞動(dòng)力的參與，這就是所謂的勞動(dòng)密集型生產(chǎn)方式。 圖38.2 各種制造系統(tǒng)的柔性和生產(chǎn)率情況 （注意圖中重疊的部分，那是由于各組中應(yīng)用自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)控制的程度不同所造成的。將在第39章具體介紹。） 圖38.3 三種加工類(lèi)型的一般特性 單件生產(chǎn)類(lèi)型通常涉及很小的產(chǎn)品數(shù)量，適合于單件小批生產(chǎn)車(chē)間。大部分單件生產(chǎn)類(lèi)型的產(chǎn)品年產(chǎn)量小于等于50件。小批量生產(chǎn)的年產(chǎn)量范圍在10～100件之間，一般用通用機(jī)床或加工中心加工。成批生產(chǎn)一般范圍是1000～5000件，所運(yùn)用的設(shè)備與小批量生產(chǎn)基本相同，但需專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)夾具來(lái)提高生產(chǎn)效率。 大批大量生產(chǎn)的年產(chǎn)量一般都超過(guò)100000件，因此需要用一些專(zhuān)用機(jī)床和用于物料和零件傳送的自動(dòng)化設(shè)備。雖然這些機(jī)床設(shè)備以及專(zhuān)用刀具價(jià)格昂貴，但對(duì)工人的技術(shù)水平的要求和勞動(dòng)力成本都相對(duì)較低，其原因就是應(yīng)用了高性能的自動(dòng)化設(shè)備。但是，這類(lèi)生產(chǎn)系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)為某種特定產(chǎn)品設(shè)計(jì)的因此缺乏柔性。許多工廠(chǎng)是通過(guò)應(yīng)用組合機(jī)床及不同程度的自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)控制來(lái)完成大批大量生產(chǎn)的。 38.2.3自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用 從單件小批到大批大量各種生產(chǎn)類(lèi)型，從毛坯到精密零件等各種產(chǎn)品，自動(dòng)化技術(shù)均得到了廣泛的應(yīng)用。但在新建或自動(dòng)化改造某一工廠(chǎng)之前，必須考慮一下幾個(gè)問(wèn)題： 生產(chǎn)產(chǎn)品的類(lèi)型； 產(chǎn)品生產(chǎn)量和生產(chǎn)效率的要求； 需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的工序的特點(diǎn)； 現(xiàn)有工人的技術(shù)水平； 自動(dòng)化系統(tǒng)可能帶來(lái)的可靠性以及維修保養(yǎng)方面的問(wèn)題； 經(jīng)濟(jì)性要求； 由于一般情況下自動(dòng)化生產(chǎn)需要很大的初期成本投入并且要求具有較高的技術(shù)和保養(yǎng)方面的知識(shí)，因此即使在決定投資一個(gè)較低水平的自動(dòng)化系統(tǒng)之前，也必須仔細(xì)研究其必要性。下面所描述的情況就經(jīng)常發(fā)生，某公司雄心勃勃的去搞自動(dòng)化系統(tǒng)，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)沒(méi)有預(yù)測(cè)的那么大。最后得出一個(gè)結(jié)論，自動(dòng)化是不劃算的。在許多情況下工廠(chǎng)所需要的只是局部自動(dòng)化，而并非全自動(dòng)化。 一般來(lái)說(shuō)，如果擁有足夠的勞動(dòng)力且其成本比例合理的話(huà)，工人的技術(shù)水平越高對(duì)自動(dòng)化的要求越低。也就是說(shuō)，自動(dòng)化制造工廠(chǎng)，對(duì)工人的技術(shù)水平要求較低。在的VIII部分中將會(huì)講到，選擇合適程度的自動(dòng)化系統(tǒng)，涉及到許多重要且復(fù)雜的因素。 38.2.4剛性自動(dòng)化 剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)一般用來(lái)生產(chǎn)某種標(biāo)準(zhǔn)化系列化的產(chǎn)品，如發(fā)動(dòng)機(jī)、氣門(mén)、齒輪或傳動(dòng)軸等。雖然產(chǎn)品的大小和工藝參數(shù)（包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和切削深度）有所變化，但這些機(jī)床是專(zhuān)用的，缺乏柔性。它們不能夠被用來(lái)生產(chǎn)形狀和大小有明顯差異的產(chǎn)品。設(shè)計(jì)和制造這些設(shè)備需要高昂的投入，因此只有在大批大量的生產(chǎn)中應(yīng)用才有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 剛性生產(chǎn)線(xiàn)中應(yīng)用的機(jī)器一般都是基于模塊化結(jié)構(gòu)的原理來(lái)設(shè)計(jì)制造的。一般被稱(chēng)為組合機(jī)床，由動(dòng)力頭單元和進(jìn)給傳送機(jī)構(gòu)兩部分組成。 動(dòng)力頭單元 動(dòng)力頭是獨(dú)立工作的，由框架（也叫床身）、電機(jī)、變速箱和傳動(dòng)軸四部分組成。這些部件的結(jié)構(gòu)和尺寸大小都是標(biāo)準(zhǔn)化系列化的，也正是由于這種與身俱來(lái)的模塊化特性，才使它們能夠被簡(jiǎn)單的重組而生產(chǎn)不同的零件，可見(jiàn)他們也具有一定的柔性。 組合機(jī)床一般由兩個(gè)或兩個(gè)以上的動(dòng)力頭組成，他們按直線(xiàn)型、環(huán)型或U型等方式布置在車(chē)間內(nèi)。具體布置形式的選擇受工件的重量和形狀的影響。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)單元的刀具或機(jī)床發(fā)生故障時(shí)，機(jī)器布置形式對(duì)加工的連續(xù)性有很大影響，此時(shí)還需要利用緩沖區(qū)來(lái)保證加工的連續(xù)進(jìn)行。 傳送機(jī)構(gòu)和傳送線(xiàn) 傳送裝置的任務(wù)是將工件從機(jī)器的一個(gè)位置搬運(yùn)到另一個(gè)位置（或者從一臺(tái)機(jī)器到另一臺(tái)機(jī)器），從而完成各種方式的加工。工件的傳送途徑有以下幾種：（1）工件裝在托盤(pán)上，托盤(pán)沿著導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。（2）分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（3）天車(chē) 零件在各位置之間的傳輸是靠傳感器或其他設(shè)備來(lái)控制的，這些機(jī)床可以簡(jiǎn)單快速地?fù)Q刀，并且都配備有自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，從而保證了各工序的尺寸公差均在允許的范圍之內(nèi)（在第38.10節(jié)將會(huì)講到，組合機(jī)床也能夠應(yīng)用與自動(dòng)化裝配線(xiàn)中）。 圖38.5描述了大型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的流水線(xiàn)布置情況，它就是有一系列組合機(jī)床組成的。這個(gè)系統(tǒng)每小時(shí)可以生產(chǎn)100個(gè)氣缸蓋。注意其中列出的各種加工方法：銑、鉆、鉸、鏜、攻絲、珩磨、清洗和檢測(cè)等。 38.2.5柔性自動(dòng)化 由上面的介紹我們可以看到，應(yīng)用于大批大量生產(chǎn)中的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)缺乏柔性。而這卻正好是柔性自動(dòng)化的（或可編程序控制自動(dòng)化）的優(yōu)點(diǎn)。它通過(guò)運(yùn)用計(jì)算機(jī)和程序控制實(shí)現(xiàn)了很好的柔性。這一點(diǎn)將在38.3和38.4節(jié)的例子中詳細(xì)介紹。 柔性自動(dòng)化的一個(gè)重要發(fā)展是它能夠很容易地，隨時(shí)地修改程序，從而加工出與前一種產(chǎn)品在形狀和尺寸上差別很大的零件。正是由于這種特性，柔性生產(chǎn)線(xiàn)能夠制造各種復(fù)雜形狀的產(chǎn)品。柔性自動(dòng)化再進(jìn)一步的發(fā)展是廣泛應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，進(jìn)而出現(xiàn)了具有很高效率和生產(chǎn)率的柔性制造系統(tǒng)。 38.2.6可編程序控制器 在傳統(tǒng)的制造過(guò)程中，各種機(jī)器以及物料傳送系統(tǒng)的控制一般都是由定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、開(kāi)關(guān)、繼電器和其他一些基于機(jī)械、電氣、氣動(dòng)原理的硬接線(xiàn)設(shè)備來(lái)完成的。直到1968年，可編程序控制器的出現(xiàn)取代了這些硬接線(xiàn)設(shè)備。 美國(guó)電氣制造協(xié)會(huì)對(duì)可編程序控制器（PLC）的定義是：可編程序控制器是一種數(shù)字式電子器件，通過(guò)數(shù)字或模擬量的輸入輸出，應(yīng)用可編程的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器來(lái)完成邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、和算術(shù)運(yùn)算等特殊功能來(lái)控制各種加工過(guò)程。專(zhuān)用于控制可編程控制器的數(shù)字計(jì)算機(jī)也屬于可編程控制器的范圍。 由于PLC的應(yīng)用取代了繼電器控制面板，而且它們的程序只占用很小的空間并可以修改，因此PLC以廣泛地應(yīng)用于制造系統(tǒng)中。它們的基本功能是實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)動(dòng)作、順序動(dòng)作以及反饋控制。由于具備高速數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信功能，他被應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中。他們能夠在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中可靠地完成各種控制任務(wù)并提高了整體效率。 隨著數(shù)控技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，在新的控制系統(tǒng)中，PLC也逐漸被取代，但它們?nèi)匀皇强刂葡到y(tǒng)基礎(chǔ)的代表。逐漸發(fā)展起來(lái)的微型計(jì)算機(jī)取代了PLC,因?yàn)槲C(jī)更便宜，更易編程和聯(lián)網(wǎng)。伴隨著新的可視化操作系統(tǒng)如WindowsNT和SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集軟件的）出現(xiàn)，微機(jī)取代PLC也成為必然。 38.2.7全面生產(chǎn)維護(hù) 各種機(jī)床、設(shè)備及整體系統(tǒng)的管理和維護(hù)是影響制造系統(tǒng)生產(chǎn)率的重要因素。于是，全面生產(chǎn)維護(hù)和管理的理念也正在迅速發(fā)展起來(lái)。 這種理念主要包括對(duì)以下各個(gè)方面的監(jiān)測(cè)分析： 1. 設(shè)備損壞和設(shè)備故障 2. 生產(chǎn)率的監(jiān)控和提高 3. 預(yù)防性或預(yù)測(cè)性維護(hù) 4. 縮短起動(dòng)時(shí)間、空轉(zhuǎn)時(shí)間和工作周期 5. 充分利用機(jī)床和設(shè)備資源，提高工作效率 6. 降低次品率 團(tuán)隊(duì)合作是完成這項(xiàng)任務(wù)的主要組成部分，主要指操作工人、維修工人，工程師以及系統(tǒng)管理層之間的全力配合。 38.3數(shù)控技術(shù) 數(shù)控技術(shù)是一種應(yīng)用數(shù)字和字母形式的編碼指令來(lái)控制機(jī)器部件運(yùn)動(dòng)的控制方法。系統(tǒng)自動(dòng)地將這些代碼轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)。這些信號(hào)按順序來(lái)控制各部件動(dòng)作，如主軸起停、刀具切換，工件和刀具延特定路徑運(yùn)動(dòng)或切削液開(kāi)關(guān)等。 為了能夠更好的理解數(shù)控技術(shù)的重要性，讓我們先簡(jiǎn)單回顧一下傳統(tǒng)機(jī)械加工的工藝過(guò)程。首先工人仔細(xì)研究工件的零件圖，然后設(shè)定工藝參數(shù)（如切削速度、進(jìn)給量、切削深度、切削液等），確定加工工序，最后裝夾工件及加工。 由于零件形狀和尺寸精度的不同，這就需要具有一定水平的工人來(lái)完成上述操作。加工的工藝過(guò)程也會(huì)因工人技術(shù)水平的不同而不同；又因?yàn)槿藶槌鲥e(cuò)的可能性，導(dǎo)致即使同一個(gè)工人加工的零件也不一定完全相同。 同時(shí)，產(chǎn)品的生產(chǎn)量也取決于具體的工人和工作時(shí)間。由于近幾年來(lái)人們對(duì)提高產(chǎn)量和降低制造成本的問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注，因此產(chǎn)品的多樣性已不能被人們所接受。而這些情況在數(shù)控加工中是不存在的。 數(shù)控加工的重要性在下面的例子中將具體闡述。假設(shè)需要在某一工件上鉆幾個(gè)孔，具體位置如圖38.6所示 若用傳統(tǒng)的方法加工此零件，工人需要參照工件上的某一點(diǎn)來(lái)給鉆頭定位，然后再進(jìn)行加工。假如有100個(gè)相同的工件，若用上述方法加工，必然會(huì)使工人感到厭煩，因?yàn)楣と艘恢痹谧鐾瑯拥膭?dòng)作。另外，工件之間也會(huì)有一定的差異。 接著我們?cè)偌僭O(shè)在加工過(guò)程中，突然改變工作要求，比如其中10個(gè)工件的孔的位置有所變化。此時(shí)，工件必須重新定位，這就會(huì)耗費(fèi)許多時(shí)間并且容易出錯(cuò)。 但對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，完成這樣的動(dòng)作是很容易的，它們能夠重復(fù)地、準(zhǔn)確地完成加工任務(wù)而且通過(guò)簡(jiǎn)單的程序修改就能加工不同的零件。 在數(shù)控系統(tǒng)中，各種與工藝過(guò)程相關(guān)的數(shù)據(jù)如位置、速度、進(jìn)給量及切削液等都能夠儲(chǔ)存到磁性介質(zhì)中，如磁帶、硬盤(pán)。數(shù)控系統(tǒng)的作用就是將這些信息傳遞給執(zhí)行裝置。 根據(jù)不同的輸入信息，繼電器和其他設(shè)備獲得相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。于是復(fù)雜的加工過(guò)程（如曲線(xiàn)加工，模具曲面加工）就很容易實(shí)現(xiàn)了。 數(shù)控技術(shù)已經(jīng)給制造技術(shù)的各方面帶來(lái)了重要影響。目前，數(shù)控技術(shù)在各中加工中廣泛應(yīng)用；許多舊的機(jī)械設(shè)備也完成了數(shù)控化改造。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 翻譯資料 中文題目： 機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù) 英文題目：Automation of Manufacturing Processes 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械制造及自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 王龍山 吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 中文摘要 數(shù)控導(dǎo)軌磨床MM52160整體采用雙柱式龍門(mén)框架結(jié)構(gòu)，由床身、工作臺(tái)、立柱、橫梁、滑板、磨頭等主要部件組成。M52160的主運(yùn)動(dòng)是周邊磨頭、萬(wàn)能磨頭帶動(dòng)砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)床的縱向進(jìn)給由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，床身、工作臺(tái)為雙V型自定位導(dǎo)軌，提高了工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直線(xiàn)性。其中一條導(dǎo)軌體是橫向可浮動(dòng)的，補(bǔ)償了由于導(dǎo)軌副運(yùn)動(dòng)摩擦發(fā)熱而引起的導(dǎo)軌中心距的變化。水平和垂直方向的進(jìn)給均由伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件（橫滑板和垂直滑板）運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。該機(jī)床的控制系統(tǒng)采用主從式模塊化控制結(jié)構(gòu)，微機(jī)作為中央控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)控制模塊、主運(yùn)動(dòng)速度控制模塊、以及輔助系統(tǒng)的集中控制管理。進(jìn)給系統(tǒng)的控制由PLC來(lái)完成。 關(guān)鍵詞 數(shù)控導(dǎo)軌磨床 整體結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng) 外文摘要 Title The design of Numerical control guideway grinder Abstract Numerical control guideway grinder MM52160 is formed of body section, workbench, upright column, beam, sliding plate and grinding head . The rotational movement of the periphery grinding head and the universal grinding head is the primary motion of this numerical control guideway grinder. The longitudinal feed is realized by the hydraulics system. The workbench is driven by a hydraulics cylinder. There are two V-mode piece of guideway on the workbench ,one of which is relocatable. So the straightness of the longitudinal feed is greatly advanced. And the same time , it can compensate the variation of the guideway’s center distance caused by friction fever. The feed movement on both horizon and vertical direction is completed by sliding plate and ball screw driven by A.C servo-actuator . The control system of this numerical control guideway grinder adopts master-slave mode and modular control structure. As a central control unit, the microcomputer centralized control and supervise the input system control module, the primary motion velocity control module, as well as the subsystem. The input system control module is controlled by a programmable logic controller. The velocity of primary motion is changed by transducer. Keywords numerical control guideway grinder structure control system 目 錄 1 引言……………………………………………………………………4 2 機(jī)床總體方案及主要參數(shù)確定………………………………………5 2.1 機(jī)床總體方案………………………………………………………5 2.2 機(jī)床主要參數(shù)確定…………………………………………………7 3 周邊磨頭部件設(shè)計(jì)……………………………………………………7 3.1 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算………………………………………………7 3.2 周邊磨頭主軸部件設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………………8 3.3 周邊磨頭垂直滑板設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………………18 4 床身工作臺(tái)設(shè)計(jì)………………………………………………………20 4.1 床身工作臺(tái)總體尺寸確定…………………………………………20 4.2 床身工作臺(tái)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)………………………………………………20 5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………………22 5.1 控制對(duì)象的描述……………………………………………………22 5.2 總體控制方案確定…………………………………………………23 5.3 電氣控制系統(tǒng)硬件的選擇…………………………………………24 5.4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)…………………………………………………26 畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)………………………………………………………………33 致謝…………………………………………………………………………34 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………34 附錄 A………………………………………………………………………36 39 1 引言 近些年來(lái)，隨著機(jī)械工業(yè)在我國(guó)的迅猛發(fā)展，被稱(chēng)為工作“母機(jī)”的金屬切削機(jī)床也有了前所未有的進(jìn)步。2003年開(kāi)始，中國(guó)就成了全球最大的機(jī)床消費(fèi)國(guó)，也是世界上最大的數(shù)控機(jī)床進(jìn)口國(guó)。磨床是機(jī)械加工后道工序的關(guān)鍵設(shè)備。車(chē)、銑、刨、鏜床等金切機(jī)床上難以加工的淬硬材料和難加工材料或達(dá)不到精度要求的機(jī)械零件都在磨床上加工。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，機(jī)械產(chǎn)品的加工精度越來(lái)越高，表面粗糙度越來(lái)越低， 使得磨床在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)的作用越來(lái)越大。因而專(zhuān)用于導(dǎo)軌和平面加工的導(dǎo)軌磨床的需求量越來(lái)越大。而且， 國(guó)內(nèi)外實(shí)踐證明，用磨削方法加工的導(dǎo)軌表面，在工作中能很好形成油膜，耐磨性亦比刮研的導(dǎo)軌面高， 況且磨削加工機(jī)床導(dǎo)軌面比刮研的方法生產(chǎn)率要高。盡管近年來(lái)國(guó)內(nèi)的導(dǎo)軌磨床有了較大的發(fā)展，但與國(guó)外設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的先進(jìn)的導(dǎo)軌磨床相比尚有很大的差距，特別是在精度和自動(dòng)化方面，從而導(dǎo)致每年必須進(jìn)口相當(dāng)數(shù)量的數(shù)控導(dǎo)軌磨床。由此可見(jiàn)，加大力度設(shè)計(jì)和研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控導(dǎo)軌磨床是必要的也是必須的。下面首先簡(jiǎn)單介紹一下國(guó)內(nèi)外數(shù)控導(dǎo)軌磨床的發(fā)展情況。 目前，在國(guó)際上德國(guó)、日本和瑞典的機(jī)床制造水平最高。其中德國(guó)、瑞典在制造精度方面處于領(lǐng)先地位，日本則產(chǎn)量和自動(dòng)化方面占有優(yōu)勢(shì)。在諸多龍門(mén)導(dǎo)軌磨床制造廠(chǎng)之中， 以德國(guó)瓦德利?！た卤?Waldrich Coburg)公司水平最高。該公司從70年代開(kāi)始發(fā)展數(shù)控導(dǎo)軌磨床。近年來(lái)在S系列的基礎(chǔ)上， 相繼開(kāi)發(fā)了SPS系列部分自動(dòng)華化龍門(mén)導(dǎo)軌磨床、SNC系列全自動(dòng)導(dǎo)軌磨床和SZ系列超級(jí)自動(dòng)化的磨削中心。SPS 系列磨床采用Siemens 810M 數(shù)控系統(tǒng)， 控制萬(wàn)能磨頭垂直(z軸)和水平(y軸)運(yùn)動(dòng)， 以及萬(wàn)能磨頭在垂直平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)( 軸)； 控制周邊磨頭的垂直( 軸)和水平軸 軸)的運(yùn)動(dòng)。SNC系列壘自動(dòng)導(dǎo)軌磨床采用Siemens 850M或880M 的數(shù)控系統(tǒng)。除少數(shù)監(jiān)督功能外， 自動(dòng)完成全部磨削加工， 開(kāi)發(fā)了導(dǎo)軌磨床的專(zhuān)用軟件， 其最多控制軸可達(dá)l1軸。SZ系列超級(jí)自動(dòng)磨削中心，采用Siemens 850或880M 數(shù)控系統(tǒng)， 橫梁固定， 用一個(gè)萬(wàn)能磨頭， 其功率可達(dá)l 8．5kW 和22kW。垂直拖板的行程可達(dá)l250mm。裝備有砂輪庫(kù)， 可自動(dòng)換砂輪和砂輪罩殼， 具有雙工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)， 以提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。除裝卸工件外， 機(jī)床自動(dòng)完成全部磨削加工。包括砂輪的自動(dòng)修正和補(bǔ)償， 按NC要求進(jìn)行砂輪的動(dòng)平衡， 磨頭主軸的自動(dòng)定位，按NC要求實(shí)現(xiàn)機(jī)床的磨削自動(dòng)工作循環(huán)。 盡管近年來(lái)國(guó)內(nèi)的導(dǎo)軌磨床有了較大的發(fā)展，但與國(guó)外設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的先進(jìn)的導(dǎo)軌磨床相比尚有很大的差距。主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：1．裝備方面機(jī)床精度，切削效率，自動(dòng)化程度， 吸塵防護(hù)以及操作性能與國(guó)外有關(guān)資料介紹的還有很大差距。另外， 機(jī)床的一些基礎(chǔ)件， 如各種液壓、氣動(dòng)、電子元件等可靠性不好， 從而影響了整機(jī)的性能。特別是：機(jī)床關(guān)鍵零部件，如導(dǎo)軌，箱體件，齒輪副，絲杠，軸等的加工工藝與國(guó)外相比還很落后，不能滿(mǎn)足高精密機(jī)床的要求。2．加工方面國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的導(dǎo)軌磨床的磨削精度， 表面粗糙度， 表面波紋度等與國(guó)外先進(jìn)水平相比尚存在一定差距。3．測(cè)量方面：與國(guó)外先進(jìn)水平相比， 國(guó)內(nèi)在對(duì)用導(dǎo)軌磨床加工好的導(dǎo)軌副的測(cè)量技術(shù)也是落后的。國(guó)外普遍在生產(chǎn)車(chē)間直接采用精密測(cè)量設(shè)備來(lái)測(cè)量機(jī)床導(dǎo)軌，如激光測(cè)量?jī)x，電子水平儀， 電子千分尺 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。而國(guó)內(nèi)對(duì)于導(dǎo)軌副的測(cè)量還沒(méi)有普遍采用自動(dòng)測(cè)量。目前國(guó)內(nèi)數(shù)控導(dǎo)軌磨床的主要生產(chǎn)廠(chǎng)家有：上海重型機(jī)床廠(chǎng)、杭州機(jī)床集團(tuán)、長(zhǎng)春第一機(jī)床廠(chǎng)等。 2 機(jī)床總體方案及主要參數(shù)的確定 2．1機(jī)床總體方案 數(shù)控導(dǎo)軌磨床M52160整體采用雙柱式龍門(mén)框架結(jié)構(gòu)，由床身、工作臺(tái)、 立柱、橫梁、滑板、磨頭等主要部件組成。其總體布局如圖1所示。 1.橫梁 2.周邊磨頭橫滑板 3.周邊磨頭垂直滑板 4.周邊磨頭 5.萬(wàn)能磨頭垂直滑板 6.萬(wàn)能磨頭 7.萬(wàn)能磨頭橫滑板 8.立柱 9.床身 10.工作臺(tái) 圖2-1 機(jī)床總布局圖 M52160的主運(yùn)動(dòng)是周邊磨頭、萬(wàn)能磨頭帶動(dòng)砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。周邊磨頭砂輪直徑大，磨削功率大，效率高，精度高，適合于磨削水平導(dǎo)軌以及大平面。萬(wàn)能磨頭可以繞中心回轉(zhuǎn)90度，能夠磨削不同角度的導(dǎo)軌面。 機(jī)床的縱向進(jìn)給由雙活塞桿液壓缸驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，橫向進(jìn)給由伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠螺母絲杠螺母副帶動(dòng)橫滑板沿橫梁導(dǎo)軌作水平運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于兩個(gè)磨頭不可以同時(shí)工作，因此用同一臺(tái)伺服電機(jī)來(lái)控制兩個(gè)磨頭的橫向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)橫向進(jìn)給箱中的電磁離合器來(lái)選通需運(yùn)動(dòng)的磨頭。垂直方向的進(jìn)給由伺服電機(jī)、滾珠絲杠螺母副來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直滑板與橫滑板之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。磨頭的水平及垂直運(yùn)動(dòng)均采用滾動(dòng)導(dǎo)軌，以消除爬行， 導(dǎo)軌體為淬硬鋼條，提高壽命和精度保持性。 機(jī)床床身浮置于地基之上，磨削受熱之后，可以在水平方向內(nèi)自由伸縮，從而提高了工件在垂直方向的直線(xiàn)度。 其次，工作臺(tái)與立柱之間采用分離型結(jié)構(gòu)，以減小床身工作臺(tái)由于導(dǎo)軌之間的摩擦及液壓進(jìn)給系統(tǒng)發(fā)熱變形而對(duì)立柱、橫梁造成的影響，提高了磨頭的橫向運(yùn)動(dòng)精度。立柱與工作臺(tái)均有墊鐵支承，便于調(diào)整橫梁與工作臺(tái)的精度。 另外，床身、工作臺(tái)為雙V型自定位導(dǎo)軌，使工作臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中受到對(duì)稱(chēng)摩擦力，消除了一V一平導(dǎo)軌由于摩擦不對(duì)稱(chēng)而產(chǎn)生的彎曲和震動(dòng)，提高了工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直線(xiàn)性，工作臺(tái)導(dǎo)軌表面貼塑，減小了滑動(dòng)摩擦系數(shù)，從而減小了所需的驅(qū)動(dòng)力和爬行現(xiàn)象，磨損小，壽命長(zhǎng)并有良好的抗震性?？梢越档蛯?duì)導(dǎo)軌材質(zhì)的要求，而且由于液體有吸震性，且剛性好，因而導(dǎo)軌有良好的抗震性及較大的承載能力。此外這種導(dǎo)軌有低速不爬行，運(yùn)動(dòng)均勻性好，以及驅(qū)動(dòng)力小等優(yōu)點(diǎn)。工作臺(tái)上的一條V型導(dǎo)軌與工作臺(tái)作為一體，另一條V型導(dǎo)軌體用橫向鍵與其保持橫向滑動(dòng)定位，稱(chēng)為自位導(dǎo)軌，由于這一條V型導(dǎo)軌體是橫向可浮動(dòng)的，工作臺(tái)和床身配合的二個(gè)V型導(dǎo)軌中心距能自動(dòng)調(diào)整正，補(bǔ)償由導(dǎo)軌副運(yùn)動(dòng)摩擦發(fā)熱而引起的中心距變化。 2．2機(jī)床主要參數(shù)確定 根據(jù)導(dǎo)軌磨床的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，參考其它普通導(dǎo)軌磨床的尺寸參數(shù)，數(shù)控導(dǎo)軌磨床M52160的基本參數(shù)確定如下 最大磨削寬度 1600mm 立柱間距 2000mm 最大磨削長(zhǎng)度 6000mm 最大磨削高度 1000mm 工件最大重量 9000Kg 工作臺(tái)最大行程 6500mm 工作臺(tái)速度 5～30m/min 水平方向快速移動(dòng)速度 2000mm/min 垂直方向快速移動(dòng)速度 2000mm/min 砂輪尺寸 周邊磨頭 平面砂輪600×100×305 萬(wàn)能磨頭 平面形400×63×127 杯形400×63×127 碗形400×63×127 加工精度為滿(mǎn)足一般機(jī)床的要求， 導(dǎo)軌要達(dá)到如下精度：在水平面內(nèi)的直線(xiàn)度小于0．01mm／lOOOmm， 在垂直平面內(nèi)的直線(xiàn)度小于0．Olmm／lOOOmm，導(dǎo)軌平行度小于0．O2mm／lOOOmm，導(dǎo)軌表面粗糙度R 0．4。 3 周邊磨頭部件設(shè)計(jì) 3．1運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1.1 主軸極限轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍（周邊磨頭） 由金屬切削加工手冊(cè)查得平面磨削砂輪的線(xiàn)速度范圍為v＝20～30m/s, 則主軸的轉(zhuǎn)速范圍n＝＝637～955r/min 由于其轉(zhuǎn)速變化范圍不是很大，可采用三相異步電機(jī)變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。 3.1.2 最大磨削功率的確定 由機(jī)床的實(shí)際加工過(guò)程可知，在粗磨大平面時(shí)機(jī)床消耗的功率最大，因此需根據(jù)該工況的工藝參數(shù)來(lái)計(jì)算主軸的最大功率。根據(jù)金屬切削加工手冊(cè)，平面粗磨的切削用量如下: 工作臺(tái)速度 v<20m/min 最大切削深度 a＝0.03mm 最大切削寬度 fg＝40mm 則最大金屬切除率＝1000×40×20×0.03＝ 由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)磨削功率 （為單位磨削功率） 查表得＝ 則＝ 因此綜合考慮轉(zhuǎn)速和最大功率選用Y200L-6三相異步電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速970r/min, 額定功率18.5Kw，采用變頻器來(lái)調(diào)速。 3.1.3 最大磨削力和扭矩的確定 粗磨時(shí)，砂輪的線(xiàn)速度范圍是=20～25m/s,即砂輪轉(zhuǎn)速637r/min～796r/min，則切向磨削力 ，徑向磨削力，得 該砂輪最大切向磨削力 最大徑向磨削力＝2.82KN 最大扭矩T＝D/2=264.7N.m 3．2周邊磨頭主軸部件設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2.1主軸最小軸徑 由于主軸對(duì)彎曲和扭轉(zhuǎn)變形要求很高，因此不能根據(jù)彎曲和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度來(lái)估算最小軸徑。參考現(xiàn)有導(dǎo)軌磨床以及其他平面磨床的主軸，粗選主軸最小軸徑D＝100 3.2.2主軸支承結(jié)構(gòu) 由于主軸的轉(zhuǎn)速較高且轉(zhuǎn)速較大，因此考慮采用液體靜壓軸承支承。液體靜壓軸承的特點(diǎn)是： 1)能始終處于液體潤(rùn)滑狀態(tài)下工作，摩擦阻力小，功耗小，傳動(dòng)效率高； 2)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和啟動(dòng)時(shí)都不會(huì)發(fā)生金屬直接接觸．精度保持性好，使用壽命長(zhǎng)； 3)在各種速度下，甚至速度度為零時(shí)，都具有較大的承載能力； 4)油膜具有補(bǔ)償誤差的作用，能減少軸和軸承制造誤差的影響，軸的回轉(zhuǎn)精度高；5)油膜剛度大、阻尼性能好，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有抑制油膜振蕩作用； 綜合考慮各種因素，選用靜壓軸承的結(jié)構(gòu)形式為周向四油腔、恒壓力供油、小孔節(jié)流。靜壓軸承的具體設(shè)計(jì)計(jì)算如下： （1） 支撐軸徑的確定 考慮結(jié)構(gòu)需要，軸徑d取110mm。其余參數(shù)參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中靜壓軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)推薦值。 （2） 軸承的長(zhǎng)度L 取L＝130 （3） 軸向封油面的長(zhǎng)度a及周向封油面的寬度b a＝b＝0.1d＝11 則油腔長(zhǎng)度l＝108 （4） 回油槽寬度c及其深度 c＝0.05d＝5.5 軸承轉(zhuǎn)速 則＝0.5～2mm。?。?mm 油腔張角 相鄰回油槽之間的夾角 （5） 軸與軸承的配合間隙2h。 D>100mm時(shí)，2h。＝（0.0004~0.0006）d=0.044~0.066 取2h。＝0.045 （6） 油腔深度 為保證足夠的承載面積 ，取 （7）軸承的壁厚 保證不形成薄壁零件，考慮油孔空間＝25 （8）軸與軸承的配合間隙2h。的公差 h。 h。，因此取h。＝ （9）軸與軸承的幾何精度誤差（圓度、圓柱度、同軸度） 取D＝0.005 （10）軸承外圓與箱體孔的配合 過(guò)盈量0～0.02mm （11）兩個(gè)向心軸承中心跨距l(xiāng) l＝（4～6）d＝400～600 取l＝400mm （12）選擇節(jié)流比，液阻比 考慮油溫變化而引起的值的變化，應(yīng)使油溫為20～50度時(shí)＝1.5～3.0，液阻比。 一般情況下，當(dāng)＝0.71，＝1.71時(shí)軸承具有最佳剛度，即＝1.71為最佳節(jié)流比 （13）確定供油壓力 粗選供油壓力為2.5MPa 則油腔壓力＝/＝14.6MPa （14）計(jì)算一個(gè)油腔的有效承載面積 （15）計(jì)算軸承油膜剛度J ＝ （16）軸向推力軸承的結(jié)構(gòu)尺寸 軸肩半徑： 軸肩的厚度 當(dāng)d＝50～200mm時(shí)，H。＝（0.1～0.2）d＝11～22mm 取H。＝20mm 3.2.3主軸帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 為了有效地將電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)與主軸隔離，在電機(jī)與主軸之間采用帶傳動(dòng)。因?yàn)閹鲃?dòng)有很好的緩沖、減震和吸陣作用。不需要減速因此傳動(dòng)比選1：1?？紤]傳動(dòng)的扭矩比較大且轉(zhuǎn)速較高，選用多楔v帶傳動(dòng)。多楔帶又稱(chēng)為復(fù)合三角帶，是一種新型的三角膠帶，由于它綜合了普通V帶和平膠帶的優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)床的傳動(dòng)中正在獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它與普通V帶相比較，且有下列優(yōu)點(diǎn)： (1)傳動(dòng)功率大。由于多楔帶和帶輪的接觸好，各工作面間的裁荷分布均勻，故多楔帶的承裁能力高。 (2) 消除了多根膠帶長(zhǎng)短不齊的現(xiàn)象。多楔帶振動(dòng)小，發(fā)熱少，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 (3)伸長(zhǎng)率小，使用壽命高。 (4)運(yùn)轉(zhuǎn)速度高。由于多楔帶的斷面尺寸小，重量輕，強(qiáng)力層的耐曲撓性能好，適于以較小的帶輪直徑在高速下(達(dá)40 m/s)運(yùn)轉(zhuǎn)。 多楔帶的具體計(jì)算如下，參考機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)（零件設(shè)計(jì)）表5.2-26 （1）確定計(jì)算功率 查表5.2-5，K＝1.2 （2）選擇多楔v帶型號(hào) 根據(jù)和查圖5.2～16，選M型多楔帶。 （3）確定帶輪計(jì)算直徑 由表5.2-20選帶輪推薦直徑＝180mm，由傳動(dòng)比＝1得＝＝180mm （4）初定中心距A。（中心距過(guò)大易振動(dòng)，過(guò)小則壽命低） ，即1801080 考慮到結(jié)構(gòu)需求，初選＝1000mm （5）求膠帶計(jì)算長(zhǎng)度L 按表5.2-18選最接近的長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝2583mm (6) 計(jì)算準(zhǔn)確中心距 得， A＝a/4=1008.9mm 帶的中心距是可以調(diào)整的，考慮安裝調(diào)整和補(bǔ)償初拉力（如帶伸長(zhǎng)而松弛后的張緊）的需要，中心距的變動(dòng)范圍為 (7) 確定多楔帶的齒數(shù)Z 查表5.2-25得，＝1.972Kw；＝1.00；＝1.00 則Z＝11.3，取Z＝12齒。 多楔帶的具體斷面尺寸如下： 齒距t＝9.5 H＝1.67 h＝9.6 h。＝13.05 （8）多楔帶輪的基本尺寸 外徑 寬度 ，取B＝125 帶輪材料為45鋼 （9）多楔帶的張緊裝置 帶經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)后，就會(huì)由于塑性變形而松弛，使初拉力F。降低。為了保證傳動(dòng)能力，應(yīng)定檢查初拉力的數(shù)值。如發(fā)現(xiàn)不足時(shí)，必須重新張緊，才能正常工作。具體張緊裝置如周邊磨頭裝配圖中所示，將安裝有帶輪的電機(jī)安裝在基座上，基座用螺栓固定在垂直滑板上，基座上的螺栓孔為長(zhǎng)槽，可使基座相對(duì)于垂直滑板上下滑動(dòng)。要調(diào)節(jié)帶的張緊力時(shí)，松開(kāi)基板上的各螺栓，旋動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘，將電機(jī)推到所需的位置，然后擰緊基座與垂直滑板的連接螺栓。 3.2.3主軸端部卸荷帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于帶的張緊力對(duì)主軸的剛性影響很大，因此在主軸端部設(shè)計(jì)了卸荷帶輪結(jié)構(gòu)，將帶的拉力直接傳遞到主軸箱體上，而扭矩通過(guò)帶輪端蓋螺釘和鍵來(lái)傳遞到軸上，從而大大減小了主軸的徑向力，提高了主軸的剛性。由于端蓋螺栓以及鍵傳遞很大的扭矩，因此需校核其強(qiáng)度。 （1）螺栓組聯(lián)接設(shè)計(jì)計(jì)算 采用圓周均布，螺栓數(shù)Z=4，均布直徑d＝180。 螺栓僅受扭矩T＝295Nm，則每個(gè)螺栓所受的工作剪力為＝819.4N； 螺栓所需的預(yù)緊力 選擇螺栓材料為Q235，性能等級(jí)為4.6的螺栓， 查表得 ，S＝1.5 因此螺紋小徑 按粗牙普通螺紋標(biāo)準(zhǔn)，選用螺紋公稱(chēng)直徑d＝10（小徑＝8.376>7.88mm） (2) 聯(lián)接平鍵的校核 根據(jù)軸徑查表選擇鍵的尺寸是，普通平鍵聯(lián)接，其主要失效形式是工作表面被壓潰，強(qiáng)度條件為 MPa 可見(jiàn)，聯(lián)接鍵的強(qiáng)度足夠。 3.2.4主軸強(qiáng)度校核 主軸B點(diǎn)的在水平和垂直方向的彎矩分別為: 垂直方向 水平方向 由前面的計(jì)算可得扭矩 主軸彎矩與扭矩如圖3-1所示， 圖3-1 主軸彎矩與扭矩圖 合成彎矩 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩及扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面B）的強(qiáng)度。 則當(dāng)量彎矩 前以選定軸的材料為40，調(diào)質(zhì)處理，查表得許用彎曲應(yīng)力 因?yàn)椋?.94<,故安全。 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度 判斷危險(xiǎn)截面時(shí)，綜合分析考慮以下三方面的影響：載荷大小、軸徑大小、應(yīng)力集中程度。從受載情況來(lái)看，顯然截面B處的最大，但該處基本沒(méi)有應(yīng)力集中。而用來(lái)承受推力的軸肩處，載荷較大并且由于軸徑變化大，應(yīng)力集中嚴(yán)重，因此確定該截面為危險(xiǎn)截面。 計(jì)算安全系數(shù)： 軸肩截面處的抗彎截面模量為 抗扭截面模量為 作用于該截面的彎矩為 M＝ 作用于該截面的扭矩為 截面上的彎曲應(yīng)力 截面上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 軸的材料為40，調(diào)質(zhì)處理。由表查得，，。 該截面處由于軸肩圓角形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)按 r/d=5/110=0.045,D/d=160/110=1.45,經(jīng)插值后可查得， 又由附圖查得軸材料的敏性系數(shù)為 故有效應(yīng)力集中系數(shù)為 查表得尺寸系數(shù)為 表面質(zhì)量系數(shù)為 軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即，則按下式計(jì)算可得綜合影響系數(shù)值為 故軸肩截面處的計(jì)算安全系數(shù)值可按下式計(jì)算得 顯然，該軸的疲勞強(qiáng)度足夠。 3.2.5主軸剛度校核 主軸的受力情況如下圖所示，軸承跨距＝400mm；懸伸量a＝176mm 圖3-2 主軸垂直方向受力圖 主軸的變形主要由兩部分組成，主軸自身的受力變形和靜壓軸承油膜的受力變形，主要的精度要求是C點(diǎn)的撓度<0.01mm 1）由主軸變形產(chǎn)生的撓度 P在C點(diǎn)的撓度 （E取200GPa） 2）由油膜變形引起的撓度 假設(shè)軸為剛性，則其受力變形情況如圖3-3， 圖3-3 靜壓軸承油膜變形圖 A、B兩點(diǎn)的支反力分別為： 油膜剛度由前面計(jì)算可知J＝ 則 根據(jù)疊加原理，C點(diǎn)的總變形量<0.01mm 可見(jiàn)，主軸的剛度足夠。 3．3周邊磨頭垂直滑板的設(shè)計(jì)計(jì)算 垂直滑板主要用來(lái)完成機(jī)床的垂直方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，為了保證進(jìn)給精度，直接用伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，螺母固定于橫滑板上，從而使絲杠帶動(dòng)垂直滑板上下運(yùn)動(dòng)。兩滑板之間采用滾動(dòng)導(dǎo)軌，以消除爬行， 導(dǎo)軌體為淬硬鋼條，提高壽命和精度保持性。 3.3.1滾珠絲杠副的選用 滾珠絲杠副的承載能力用額定動(dòng)載荷來(lái)表示，它的定義、計(jì)算和選用方法和滾動(dòng)軸承基本相同。 滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷 其中，壽命系數(shù)，查表得＝15000h，則＝3.10 載荷性質(zhì)系數(shù)＝1.2； 動(dòng)載荷硬度影響系數(shù) ＝1.56 轉(zhuǎn)速系數(shù) ＝0.29 最大軸向力（絲杠最大的軸向力主要是垂直滑板的重力。） 因此， 查表，選用W1Ch型外循環(huán)齒差調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副W1Ch6008，名義直徑60mm，螺距8mm。額定動(dòng)載荷C。＝>C 3.3.2滾珠絲杠的支承方式選擇。 為了提高絲杠剛度，絲杠采用兩端固定式支承，即兩端均用一個(gè)雙向止推軸承和一個(gè)向心球軸承支承。這種結(jié)構(gòu)方式可使絲杠的熱變形轉(zhuǎn)化為止推軸承的預(yù)緊力。根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要，預(yù)選向心軸承代號(hào)6210，雙向推力軸承52208。 由于該絲杠承受的徑向力很小，軸向力較大，因此只校核推力軸承的壽命。 由前面的計(jì)算可知 該推力軸承的最大軸向力A＝N， 載荷系數(shù)按中等沖擊或中等慣性力選取， 當(dāng)量動(dòng)載荷 則軸承的壽命 一般情況下，金屬切削機(jī)床軸承的預(yù)期壽命選取20000～30000h，因此該推力軸承壽命足夠。 3.3.2滾珠絲杠副的自鎖 由于滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率高，無(wú)自鎖作用，為了防止垂直滑板在失電情況下由于自重下滑，在滾珠絲杠的末端增加制動(dòng)裝置，即失電制動(dòng)器。失電制動(dòng)器的原理是，當(dāng)電機(jī)得電工作時(shí)，電磁鐵線(xiàn)圈通電吸住壓簧，打開(kāi)摩擦離合器，電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)失電停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電磁鐵線(xiàn)圈亦同時(shí)斷電，在彈簧作用下摩擦離合器壓緊，使得滾珠絲杠不能轉(zhuǎn)動(dòng)，垂直滑板就不會(huì)因自重而下沉了。為了保證制動(dòng)迅速可靠，需計(jì)算所需失電制動(dòng)器的制動(dòng)扭矩。 由垂直滑板自重產(chǎn)生的使絲杠回轉(zhuǎn)的扭矩 傳動(dòng)效率 （中徑處的螺旋角，當(dāng)量摩擦角） 因此 考慮到安全以及制動(dòng)迅速，取制動(dòng)扭矩 根據(jù)以上計(jì)算，選用DHD1—50普通型失電制動(dòng)器。其制動(dòng)扭矩為 50N.m，功率27W。 4 床身工作臺(tái)設(shè)計(jì) 4．1床身工作臺(tái)總體尺寸確定 床身工作臺(tái)總體尺寸的確定，根據(jù)工件的最大長(zhǎng)度為6m，確定工作臺(tái)長(zhǎng)度取6.5m，工作臺(tái)行程至少為6m，考慮工作臺(tái)在換向與停止過(guò)程中的緩沖，床身長(zhǎng)度取13m。 4．2床身工作臺(tái)導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 4.2.1導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式選擇 導(dǎo)軌的作用是承受載荷和導(dǎo)向?？紤]到導(dǎo)軌磨床M52160對(duì)承載能力和導(dǎo)向精度都要求很高，因此床身工作臺(tái)采用雙V浮動(dòng)表面貼塑導(dǎo)軌，雙V導(dǎo)軌不需要鑲條調(diào)整間隙，接觸剛度好，導(dǎo)向性和精度保持性好。兩導(dǎo)軌截面均為V形，對(duì)稱(chēng)布置使得工作臺(tái)的受熱變形均勻、對(duì)稱(chēng)，提高了加工平面的平行度和表面精度。工作臺(tái)導(dǎo)軌表面貼塑減小了滑動(dòng)摩擦系數(shù)，從而減小了所需的驅(qū)動(dòng)力和爬行現(xiàn)。導(dǎo)軌工作臺(tái)截面如圖4-1所示。 工作臺(tái)上的一條V型導(dǎo)軌與工作臺(tái)一體，另一條V型導(dǎo)軌體用橫向鍵與其保持橫向滑動(dòng)定位，稱(chēng)為自位導(dǎo)軌，如圖4-2所示，由于這一條V型導(dǎo)軌體是橫向可浮動(dòng)的，工作臺(tái)和床身配合的二個(gè)V型導(dǎo)軌中心距能自動(dòng)調(diào)整，補(bǔ)償由導(dǎo)軌副運(yùn)動(dòng)摩擦發(fā)熱而引起的中心距變化。圖中所示螺釘是為了使裝配容易而設(shè)計(jì)的，浮動(dòng)導(dǎo)軌裝配時(shí)，先將橫向鍵固定到工作臺(tái)上，然后用長(zhǎng)螺釘將浮動(dòng)導(dǎo)軌與鍵連接，該螺釘?shù)念A(yù)緊力需用測(cè)力扳手控制，以保證工作臺(tái)受熱變形后可以在水平方向微量浮動(dòng)。 工作臺(tái)導(dǎo)軌表面粘貼以聚四氟乙烯為基體的塑料軟帶，其特點(diǎn)是摩擦因數(shù)小，耗能低；動(dòng)靜摩擦因數(shù)接近，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好；阻尼特性好，能吸收振動(dòng)，抗陣性好，有自身潤(rùn)滑作用，沒(méi)有潤(rùn)滑油也能正常工作，使用壽命長(zhǎng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)修理方便，磨損后容易更換，經(jīng)濟(jì)性好。但是，剛性較差，需校核導(dǎo)軌的比壓。 為提高導(dǎo)軌耐磨性和防止塑料軟帶撕傷，動(dòng)導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌應(yīng)具有不同的硬度。因此，工作臺(tái)導(dǎo)軌用普通鑄鐵，不淬火，床身導(dǎo)軌需淬火處理。 圖4-1 導(dǎo)軌工作臺(tái)斷面圖 圖4-2 浮動(dòng)導(dǎo)軌局部視圖 4.2.2導(dǎo)軌的比壓計(jì)算 導(dǎo)軌的損壞形式主要是磨損，而導(dǎo)軌的磨損又與導(dǎo)軌的比壓（單位面積上的壓力）有密切關(guān)系。因此在初步選定導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)尺寸后，應(yīng)該核算導(dǎo)軌面的比壓，使其限制在允許的范圍之內(nèi)。 工作臺(tái)導(dǎo)軌主要受加工工件和工作臺(tái)的重力。工件的最大重量是9000Kg，估算工作臺(tái)的重量為6000Kg。則垂直向下的合力G＝ 由于采用雙v導(dǎo)軌，載荷對(duì)稱(chēng)分布，每條導(dǎo)軌受力為G/2＝ 每個(gè)導(dǎo)軌面所受的正壓力為 導(dǎo)軌面的比壓為 查表得： 鑄鐵導(dǎo)軌的許用比壓為； 聚四氟乙烯貼塑導(dǎo)軌的許用比壓為； 導(dǎo)軌面的比壓小于許用比壓，即導(dǎo)軌截面尺寸合理。 4.2.3浮動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)向鍵的校核 由導(dǎo)軌面比壓校核過(guò)程中的計(jì)算過(guò)程可知，浮動(dòng)導(dǎo)軌承受的摩擦力 根據(jù)導(dǎo)軌截面尺寸確定橫向鍵尺寸為，浮動(dòng)導(dǎo)軌分兩段，每段由兩個(gè)鍵來(lái)導(dǎo)向，其中一個(gè)用來(lái)承受力，另一個(gè)主要起限制導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。因此，只有兩個(gè)鍵同時(shí)受力。其強(qiáng)度條件為 （考慮到工作臺(tái)換向與停止過(guò)程中的沖擊，取載荷系數(shù)K＝2） 可見(jiàn)，橫向鍵的強(qiáng)度是足夠的。 5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5．1控制對(duì)象的描述 數(shù)控導(dǎo)軌磨床的運(yùn)動(dòng)控制主要包括三部分，主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)。主運(yùn)動(dòng)的控制是指周邊磨頭、萬(wàn)能磨頭的轉(zhuǎn)速控制。進(jìn)給系統(tǒng)則包括工作臺(tái)的縱向進(jìn)給、橫滑板和垂直滑板的橫向及垂直進(jìn)給。輔助系統(tǒng)時(shí)指潤(rùn)滑系統(tǒng)、靜壓軸承供油系統(tǒng)等輔助運(yùn)動(dòng)電機(jī)的開(kāi)?？刂啤Ｆ渲羞M(jìn)給系統(tǒng)的控制最復(fù)雜。 根據(jù)加工工藝需要，周邊磨頭有五種進(jìn)給方式：快速移動(dòng)、慢速移動(dòng)、周期進(jìn)給、連續(xù)進(jìn)給以及微量進(jìn)給；萬(wàn)能磨頭有三種進(jìn)給方式快速移動(dòng)、慢速移動(dòng)和微量進(jìn)給。但周邊磨頭和萬(wàn)能磨頭不能夠同時(shí)工作，因此可以只用一個(gè)伺服電機(jī)，通過(guò)電磁離合器來(lái)選擇需要進(jìn)給的磨頭。 該導(dǎo)軌磨床的基本工作流程如下 a.開(kāi)機(jī)，靜壓軸承供油系統(tǒng)啟動(dòng)，液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)啟動(dòng)。 b.磨頭旋轉(zhuǎn)。 c.啟動(dòng)橫梁進(jìn)給系統(tǒng)（包括橫滑板、垂直滑板進(jìn)給）。 d.啟動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)給液壓泵。 e.開(kāi)始執(zhí)行工作循環(huán)。 f.工作循環(huán)完成，磨頭回零點(diǎn)。 g.機(jī)床停止。 由以上動(dòng)作流程可以看出，導(dǎo)軌磨床的進(jìn)給過(guò)程在很大程度上屬于順序動(dòng)作流程，因此非常適合于應(yīng)用PLC來(lái)控制。 5．2總體控制方案的確定 根據(jù)上述對(duì)控制對(duì)象的描述和具體的控制要求，該控制系統(tǒng)可采用主從式模塊化控制結(jié)構(gòu)，微機(jī)作為中央控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)控制模塊、主運(yùn)動(dòng)速度控制模塊、以及輔助系統(tǒng)的集中控制管理。主控微機(jī)將操作員通過(guò)鍵盤(pán)輸入的數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)部軟件的運(yùn)算處理，通過(guò)串行通信接口RS232C傳送給進(jìn)給模塊的PLC以及主控系統(tǒng)的變頻器。進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)用可編程序控制器（PLC）作為核心控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備各種執(zhí)行器件（包括進(jìn)給伺服電機(jī)、各油泵電機(jī)以及電磁離合器等）的控制。主控微機(jī)還可以直接讀取伺服電機(jī)控制器的內(nèi)部控制數(shù)據(jù)，從而檢測(cè)進(jìn)給系統(tǒng)的工作狀態(tài)；同時(shí)它還通過(guò)內(nèi)部軟件程序?qū)z測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為視頻信息，直觀(guān)地顯示在屏幕上。主軸旋轉(zhuǎn)速度由變頻器來(lái)控制，變頻器可與主控微機(jī)進(jìn)行串行通信。 該系統(tǒng)的控制框圖如圖5-1。 圖5-1 控制系統(tǒng)框圖 控制系統(tǒng)內(nèi)部信息交換 微機(jī)發(fā)出：微機(jī)向PLC發(fā)出各種控制數(shù)據(jù)，如工作磨頭序號(hào)、橫滑板和垂直滑板運(yùn)動(dòng)位移以及運(yùn)動(dòng)速度以及磨頭工作循環(huán)所需的其他數(shù)據(jù)。 微機(jī)向變頻器發(fā)出頻率控制信號(hào)。 微機(jī)接收：伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部狀態(tài)，即進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 PLC 發(fā)出：伺服驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)，其它各輔助運(yùn)動(dòng)控制的信號(hào)。 PLC 接收：微機(jī)控制信號(hào)，各執(zhí)行元件狀態(tài)信號(hào)，及伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)到位信號(hào)。 5．3電氣控制系統(tǒng)硬件的選擇 5.3.1伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器的選擇 橫梁伺服電機(jī)與垂直滑板伺服電機(jī)均選用和利時(shí)交流伺服電機(jī)，具體型號(hào)為130MB100B-2CE6E，該電機(jī)的技術(shù)參數(shù)在表5-1中列出。 根據(jù)伺服電機(jī)的要求，伺服驅(qū)動(dòng)器選擇森創(chuàng)GS0150G，該系列伺服驅(qū)動(dòng)器以美國(guó)TI公司最新的數(shù)字處理芯片（DSP）作為核心控制芯片，采用了先進(jìn)的全數(shù)字電機(jī)控制算法，完全以軟件方式實(shí)現(xiàn)了電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的閉環(huán)伺服控制，具備良好的魯棒性和自適應(yīng)能力，可配合多種規(guī)格的伺服電機(jī)，適應(yīng)于各種需要快速響應(yīng)的精密轉(zhuǎn)速控制與定位控制的應(yīng)用系統(tǒng)。 在本控制系統(tǒng)中主要用到以下幾個(gè)控制引腳 7腳：輸入公共端 23腳：伺服使能端 27腳：脈沖指令信號(hào)輸入－ 12腳：脈沖指令信號(hào)輸入＋ 28腳：方向/脈沖指令信號(hào)輸入－ 13腳：方向/脈沖指令信號(hào)輸入＋ 表5-1 130MB100B-2CE6E型伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù) 額定輸出功率 W 額定轉(zhuǎn)矩 N.m 最大轉(zhuǎn)據(jù) N.m 額定轉(zhuǎn)速 rpm 最高轉(zhuǎn)速 rpm 1500 7.5 18 2000 2500 電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量 Kg.cm2 轉(zhuǎn)矩系數(shù) N.m/A 額定相電流 A 瞬間最大相電流A 適配驅(qū)動(dòng)器 13.1 1.35 6.7 16.0 GS0150G 電樞繞組相電阻 電樞繞組相電感 mH 機(jī)械時(shí)間常數(shù) ms 電氣時(shí)間常數(shù) ms 重量 Kg 1.24 9.52 7.24 11.5 5.3.2 PLC的選擇 根據(jù)市場(chǎng)情況，OMRON公司的PLC產(chǎn)品指令功能強(qiáng)大，處理復(fù)雜控制的功能強(qiáng);編程語(yǔ)言梯形圖和指令助記符并重，編程簡(jiǎn)單，易掌握；特殊功能模塊和智能模塊品種多，使用方便；網(wǎng)絡(luò)配置簡(jiǎn)單，實(shí)用，價(jià)格低。因此決定選用歐姆龍品牌PLC。 CQM1H系列PLC是OMRON公司新近推出的中型PLC，該系列PLC為模塊式結(jié)構(gòu)，最多可插11個(gè)模塊，I/O可達(dá)512點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足該系統(tǒng)的輸入輸出需求。CQM1H系列PLC自帶RS232c串行通信接口，可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信。CQM1H系列PLC擁有脈沖I/O擴(kuò)展模塊，可以輸出5－20kHZ的高速脈沖，能夠滿(mǎn)足伺服控制器速度控制端口的高頻脈沖信號(hào)需求。 PLC及其擴(kuò)展模塊的具體選擇 CPU模塊：CQM1H—CPU51 I/O模塊: 輸入模塊 CQM1—ID212 16點(diǎn) 輸出模塊 CQM1—OC221（2塊） 8點(diǎn) 高速脈沖I/O模塊 表5-2 PLC輸入輸出點(diǎn)明細(xì) 輸入點(diǎn) 元件名稱(chēng)及代號(hào) 輸出點(diǎn) 元件名稱(chēng)及代號(hào) 00000 啟動(dòng)按鈕SB1 10000 伺服驅(qū)動(dòng)器1 23口 00001 急停按鈕SB2 10001 伺服驅(qū)動(dòng)器1 28口 00002 工作臺(tái)行程開(kāi)關(guān)SQ11 10002 伺服驅(qū)動(dòng)器2 23口 00003 工作臺(tái)行程開(kāi)關(guān)SQ12 10003 伺服驅(qū)動(dòng)器2 28口 00004 工作臺(tái)限位開(kāi)關(guān)SQ13 10004 伺服驅(qū)動(dòng)器3 23口 00005 工作臺(tái)限位開(kāi)關(guān)SQ14 10005 伺服驅(qū)動(dòng)器3 28口 00006 左橫滑板限位開(kāi)關(guān)SQ21 10006 00007 右橫滑板限位開(kāi)關(guān)SQ22 10007 00008 橫滑板防碰撞限位開(kāi)關(guān)SQ23 10100 周邊磨頭電機(jī)繼電器KM1 00009 左垂直滑板限位開(kāi)關(guān)SQ31 10101 萬(wàn)能磨頭電機(jī)繼電器KM2 00010 左垂直滑板限位開(kāi)關(guān)SQ32 10102 絲杠電磁離合器KM3 00011 右垂直滑板限位開(kāi)關(guān)SQ33 10103 絲杠電磁離合器KM4 00012 右垂直滑板限位開(kāi)關(guān)SQ34 10104 靜壓軸承供油泵電機(jī) 00013 伺服電機(jī)完成信號(hào)開(kāi)關(guān)KM11 10105 潤(rùn)滑系統(tǒng)油泵電機(jī) 00014 伺服電機(jī)完成信號(hào)開(kāi)關(guān)KM12 10106 工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)液壓泵電機(jī) 00015 伺服電機(jī)完成信號(hào)開(kāi)關(guān)KM13 10107 報(bào)警燈、鈴 5．4控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 梯形圖編程是PLC程序設(shè)計(jì)的主要形式，梯形圖直觀(guān)、形象、易于接受。該程序段主要完成磨床從開(kāi)機(jī)到完成加工以及回到零位過(guò)程中的順序動(dòng)作控制。下面簡(jiǎn)單介紹梯形圖各程序斷的含義。 1）機(jī)床開(kāi)機(jī)，首先啟動(dòng)液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)油泵和靜壓軸承供油油泵，在這兩者未工作時(shí)其他任何部件都不可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 圖5-2 PLC控制梯形圖(1) 2）液壓系統(tǒng)啟動(dòng)的同時(shí)，計(jì)算機(jī)與PLC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。待液壓系統(tǒng)完全啟動(dòng)以及數(shù)據(jù)通信完成之后，根據(jù)通信數(shù)據(jù)，接通所需工作磨頭的離合器，橫滑板開(kāi)始進(jìn)給。兩個(gè)磨頭的離合器與繼電器均通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)互鎖。 圖5-3 PLC控制梯形圖(2) 3）橫滑板到位之后，伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出到位信號(hào)到PLC的輸入端，然后垂直滑板開(kāi)始進(jìn)給。垂直滑板的控制方法與橫滑板基本相同。 圖5-4 PLC控制梯形圖(3) 4）垂直滑板到位之后，工作臺(tái)開(kāi)始進(jìn)給，進(jìn)入工作循環(huán)，工作循環(huán)的控制由子程序完成，這里并不涉及。 圖5-5 PLC控制梯形圖(4) 5）當(dāng)機(jī)床完成每次工作循環(huán)之后，自動(dòng)回到零點(diǎn)。其回位過(guò)程正好與進(jìn)給相反。具體順序如下： 垂直滑板回位； 橫滑板回位； 主軸電機(jī)停轉(zhuǎn)； 延時(shí)，待主軸完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)之后，液壓系統(tǒng)斷電。 該過(guò)程的控制程序如圖5-6 圖5-6 PLC控制梯形圖(5) 根據(jù)梯形圖編寫(xiě)的指令程序如表5-2所示： 表5-2 PLC指令語(yǔ)句表 序號(hào) 指令 說(shuō)明 序號(hào) 指令 說(shuō)明 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 LD NOT 00004 AND NOT 00006 AND NOT 00009 AND NOT 00012 OUT 01600 LD 00000 OR 10105 AND NOT 00001 AND 01600 OUT 10104 OUT 10105 LD 10105 AND NOT TIM001 TIM 001 #0030 LD 00000 RXD 080 085 #0005 LD AR08 AND NOT 08001 AND 08000 OUT 10100 OUT 10102 LD AR08 AND NOT 08000 AND 08001 OUT 10101 OUT NOT 10103 LD AR08 AND NOT TIM001 TIM 001 #0030 LD TIM001 AND NOT 00013 AND 01600 AND NOT 00001 OUT 10000 OUT 10001 PULS 000 開(kāi)機(jī) 啟動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng) 啟動(dòng)靜壓軸承供油泵 數(shù)據(jù)通信 判斷、 并啟動(dòng)工作 磨頭， 接通橫梁 電磁離合器 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 AND NOT 000 IR081 LD 00013 OR 01601 AND 01600 AND NOT 00001 OUT 01601 LD 01601 AND NOT 00014 AND 08000 AND NOT 08001 OUT 10002 OUT 10003 PULS 000 000 IR082 LD 01601 AND NOT 00015 AND 08001 AND NOT 08000 OUT 10004 OUT 10005 PULS 000 000 IR082 LD 00014 OR 00015 OR 10106 AND NOT 00002 OUT 10106 LD 00002 AND TIM001 TIM 001 #0030 LD TIM001 AND NOT 00014 AND 08000 AND NOT 08001 AND 25314 OUT 10003 橫滑板進(jìn)給 垂直 滑板 進(jìn)給 開(kāi)始工作循環(huán) 完成 延時(shí) 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 OUT 10002 PULS 000 000 IR082 LD TIM001 AND NOT 00015 AND 08001 AND NOT 08000 AND 25314 OUT 10005 OUT 10004 PULS 000 000 IR082 LD 00014 OR 00015 OR 10000 AND NOT 00013 AND 25314 OUT 10001 垂直滑板 回位 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 OUT 10000 PULS 000 000 IR081 LD NOT 00013 OR 10100 OUT 10100 OUT 10101 OUT 10102 OUT 10103 LD 00013 AND NOT TIM001 TIM 001 #0060 LD TIM001 OUT 01602 LD NOT 01602 OUT 10104 OUT 10105 END 橫滑板 回位 主軸停轉(zhuǎn) 延時(shí) 潤(rùn)滑與靜壓 軸承泵停 畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié) 通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使自己的綜合能力有了很大的提高 。首先，了解了導(dǎo)軌磨床的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r以及國(guó)內(nèi)外的差距，對(duì)導(dǎo)軌磨床的工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)等各方面基本掌握，通過(guò)對(duì)機(jī)床總體布局、周邊磨頭以及電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具備了一定的設(shè)計(jì)導(dǎo)軌磨床的技能和經(jīng)驗(yàn)。在導(dǎo)軌磨床機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)一步掌握了普通機(jī)械結(jié)構(gòu)在實(shí)踐中的應(yīng)用，并熟悉了以前并未涉及過(guò)的靜壓軸承、浮動(dòng)導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等精密機(jī)械結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，鞏固了設(shè)計(jì)機(jī)械裝備電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的方法、步驟，進(jìn)一步提高了分析控制系統(tǒng)問(wèn)題的能力。其次，通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)了自己在以前學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的許多遺留問(wèn)題，特別是在工廠(chǎng)調(diào)研的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了書(shū)本知識(shí)與工廠(chǎng)實(shí)踐之間的巨大差距，真正理解了工廠(chǎng)實(shí)踐在機(jī)械專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)中的重要性。畢業(yè)設(shè)計(jì)正是將自己本科四年學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行總結(jié)并且綜合應(yīng)用于設(shè)計(jì)實(shí)踐中，從而使自己對(duì)機(jī)械這個(gè)領(lǐng)域有了更進(jìn)一步的綜合認(rèn)識(shí)，大大提高了自己的綜合能力。另外，對(duì)于那些以前從未接觸過(guò)的知識(shí)，通過(guò)查找資料或者請(qǐng)教老師和同學(xué)，最終得以解決，提高了自己的自學(xué)能力。最后，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)的鍛煉，必將為自己將來(lái)學(xué)習(xí)和工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 致 謝 真誠(chéng)地感謝王龍山老師在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程的悉心指導(dǎo)。同時(shí)，我也非常感謝機(jī)制系的張富老師和李國(guó)發(fā)老師，為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了許多中肯的意見(jiàn)。另外，還要感謝長(zhǎng)春第一機(jī)床廠(chǎng)的楊總，在我們實(shí)習(xí)、調(diào)研的過(guò)程中給予了大力的支持和幫助，并為我們提供了大量有價(jià)值的設(shè)計(jì)資料。 參 考 文 獻(xiàn) 1 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社.1986. 2 譚慶昌、趙洪志、曾平.機(jī)械設(shè)計(jì).吉林科學(xué)技術(shù)出版社.2002.5. 3 鄧星鐘.機(jī)電傳動(dòng)控制.華中科技大學(xué)出版社.2001.3. 4 吳亦峰.可編程控制器原理與應(yīng)用速成.福建科學(xué)技術(shù)出版社.2004.12. 5 馮辛安.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社.2002.3. 6 于駿一、鄒青.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社.2004.1. 7 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社.2001.3 8 候洪生.機(jī)械工程圖學(xué).科學(xué)出版社.2001.9 9 高春甫.機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).吉林大學(xué)出版社.2002.5 10 郁漢琪、郭健.可編程控制器原理及應(yīng)用.中國(guó)電力出版社.2004.4. 11 阮乃忠.常用機(jī)械電氣控制手冊(cè).福建科學(xué)技術(shù)出版社.2003.5. 12 劉躍南.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社.1998.8. 13 鄭玉華.典型機(jī)械產(chǎn)品構(gòu)造.科學(xué)出版社.2004.7. 14 機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊(cè).上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.1979.6. 15 森創(chuàng)全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器操作手冊(cè). 16 歐姆龍CQM1H PLC操作手冊(cè). 17 寇尊權(quán).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).吉林科學(xué)技術(shù)出版社.1999.9 18甘永力，陳曉華.機(jī)械