實驗型數(shù)控銑床設(shè)計,實驗,試驗,數(shù)控,銑床,設(shè)計 摘 要 摘 要 論文詳細介紹了實驗型數(shù)控銑床的設(shè)計過程，此設(shè)計過程大致可分為以下兩部分： 論文第一部分主要進行了數(shù)控銑床的機械部分設(shè)計。首先，論證了各種方案的優(yōu)缺點，從而在總體布局上有所把握。其次，我們通過分析比較各種設(shè)計方案，根據(jù)合理性和經(jīng)濟性的指導(dǎo)思想，決定采用立式結(jié)構(gòu)，十字工作臺式，床身導(dǎo)軌水平放置。最后，通過對各零部件進行選擇和校核，最終采用了在生產(chǎn)中已經(jīng)非常專業(yè)化的角接觸球軸承、圓柱形滑動導(dǎo)軌、混合式步進電動機和滾珠絲杠等。在機械部分設(shè)計過程中，盡量考慮節(jié)約成本和互換性，保證X、Y進給選用相同的步進電機、滾珠絲杠等零部件。 論文第二部分主要進行了數(shù)控銑床的控制部分設(shè)計。其主要成果是：⑴對電氣控制系統(tǒng)的組成作簡單闡述，通過比較多種控制系統(tǒng)，選擇采用PLC進行控制。⑵了解數(shù)控銑床的全部工作要求，確定采用三菱公司的FX2N系列可編程控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對步進電機的啟停、正反轉(zhuǎn)、兩軸聯(lián)動和變頻調(diào)速的控制，從而實現(xiàn)加工過程的自動控制。⑶通過弱電控制強電，計算機數(shù)字化控制電路，成功地實現(xiàn)了工作要求，使其具有能控制電動機啟停、正反轉(zhuǎn)、變頻調(diào)速和兩軸聯(lián)動等功能。 關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床，兩坐標(biāo)，實驗型，可編程控制器 第二章 實驗型數(shù)控銑床的總體設(shè)計 2.1 總體設(shè)計的基本要求 (1)滿足各種加工要求，如加工范圍、加工精度等。 (2) 確保實現(xiàn)既定工藝方法所要求的工件和刀具的相對位置與相對運動。在既經(jīng)濟又合理的條件下，盡量采用較短的傳動鏈，以簡化機構(gòu)，提高傳動精度和傳動效率。 (3) 確保銑床具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度、抗振性、熱變形及噪聲水平。 (4) 應(yīng)便于觀察加工過程，便于操作、調(diào)整和維修。 (5) 結(jié)構(gòu)簡單，合理可靠。 (6) 體積小，重量輕。 2.2 總體設(shè)計的主要內(nèi)容 (1) 運動功能設(shè)計。包括確定機床所需運動的個數(shù)、形式（直線運動、回轉(zhuǎn)運動）、功能（主運動、進給運動、其他運動）及排列順序，最后畫出機床的運動功能圖。 (2) 基本參數(shù)設(shè)計。包括整體尺寸參數(shù)、零件尺寸參數(shù)、運動參數(shù)和動力參數(shù)設(shè)計。 (3) 傳動系統(tǒng)設(shè)計。包括傳動方式、傳動原理圖及傳動系統(tǒng)設(shè)計。 (4) 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計。包括運動功能分配、總體布局結(jié)構(gòu)形式及總體結(jié)構(gòu)布局方案圖設(shè)計。 (5) 控制系統(tǒng)設(shè)計。包括控制方式及控制原理、控制流程圖設(shè)計、控制電路圖設(shè)計以及PLC選用和控制程序編寫。 根據(jù)前面所提到的數(shù)控銑床應(yīng)滿足的基本要求就可以進行總體設(shè)計。在各項基本要求中以加工工藝要求最為重要。由加工工藝要求決定銑床所需要的運動。完成每個運動又有相應(yīng)的功能部件，這就可以確定各部件的相對運動和相對位置關(guān)系。銑床的總體布局也就可以大體確定下來。 2.3 方案的比較與選擇 數(shù)控銑床與一般的數(shù)控機床一樣，是由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體組成。對實驗型數(shù)控銑床的設(shè)計，一方面，要求其功能完善、結(jié)構(gòu)開放，具有與一般生產(chǎn)實用型數(shù)控銑床一樣的工作原理和工作性能；另一方面，要求其體積小、價格低，以利于此類實驗型銑床的普及推廣。本課題的設(shè)計主要是兩個方面：其一：機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計；其二：控制系統(tǒng)的設(shè)計。這里有兩個方案： 方案一、采用減速箱，并對滾珠絲杠進行兩端支撐；減速箱采用圓柱齒輪變速，這種方案可以通過增加減速箱，達到：1.增大轉(zhuǎn)動扭矩；2.提高脈沖當(dāng)量；3.匹配慣量。對滾珠絲杠進行兩端支撐，可以盡量減少由于一端支撐，可能產(chǎn)生的彎曲，減少誤差，提高精度。 方案二、直接采用套筒式聯(lián)軸器連接步進電動機和滾珠絲杠，對滾珠絲杠進行一端支撐或兩端支撐。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，加工安裝方便。 綜合考慮，由于切削石蠟、塑料等材料，根據(jù)計算切削力較小，最終選用步進電機，脈沖當(dāng)量為0.01mm/step，無減速裝置，直接采用套同式聯(lián)軸器聯(lián)接電動機軸和滾珠絲杠。因為實驗型數(shù)控銑床主要目的是用于演示實驗，行程較短，對加工精度要求不高，傳遞的轉(zhuǎn)動扭矩也不是很高，而一端固定一自由的支承形式結(jié)構(gòu)簡單，剛度、臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性比較低，適用于較短和豎直的絲杠。 2.4 實驗型數(shù)控銑床的方案擬定 機械系統(tǒng)部分：實驗型數(shù)控銑床采用立式結(jié)構(gòu)，十字工作臺式，床身導(dǎo)軌水平放置，這樣布局不僅有利于減少占地面積?？傮w機床長為560mm，寬為420mm，高為700mm，工作臺寬160mm，長160mm，可以實現(xiàn)X軸、Y軸兩坐標(biāo)聯(lián)動。電動機與絲杠的連接可以通過套筒式連軸器來實現(xiàn)。在工作過程中，X軸和Y軸都是步進電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，滾珠螺母沿絲杠做水平移動，從而帶動工作臺沿導(dǎo)軌在水平面前后左右移動。Z軸的進給則是手動來實現(xiàn)的。電動機帶動主軸旋轉(zhuǎn)，從而完成銑削過程。 控制系統(tǒng)部分：通過采用三菱公司的FX2N系列可編程控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對步進電機的啟停、正反轉(zhuǎn)、兩軸聯(lián)動和變頻調(diào)速的控制，從而實現(xiàn)加工過程的自動控制。其中重點是確定硬件電路的總體方案和軟件設(shè)計，主要有：輸入輸出接口選用及電路設(shè)計，步進電機接口和驅(qū)動電路。 由此，可以大體畫出整體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)框圖，如下圖2-1所示。 圖2-1 總體的系統(tǒng)框圖 v第三章 數(shù)控銑床機械部分設(shè)計的一般過程 3.1 銑削力的計算 現(xiàn)假設(shè)刀具材料為高速鋼，工作材料為碳鋼()。 Z軸銑削工作時銑削力的計算： 最大銑削直徑，最小直徑。 由《實用機床手冊》得： 銑削功率 銑削力 銑削力修正系數(shù) 其中工件材料系數(shù) 高速鋼銑刀,前角系數(shù) 主偏角= =1.0 因此 —工件材料的抗拉強度； —銑削深度； —毎齒進給量； —銑削寬度； —銑削直徑； Z—銑刀齒數(shù)， 現(xiàn)取=0.05mm/Z =4mm Z=4 =10mm =8mm n=400r/min ， =642×4×0.05×8×10×4×0.9255=907.8N =3.14×10×400/1000=12.56mm/s =907.8×12.56/60000=0.19 3.2 主軸電機的選擇 選主軸電機時按銑削計算， 因為銑削時最大的銑削力為： =642×4×0.05×8×4×4×0.9255=1996.3N =3.14×4×1600/1000=20.1m/s =1996.3×20.1/60000=0.68 主軸功率P= =0.68/0.88=0.77 所以選電動機為=1.1，型號：Y90S—4型 3.3 X、Y軸銑削力的計算 主轉(zhuǎn)動中主軸功率P=0.77KW，則=0.77/1.1=0.7 電動機的額定功率=1.1KW。銑削力同樣遇刀具材料、被銑削工件的材料、切削量等因素有關(guān)，現(xiàn)以刀具材料為高速鋼，共建材料為碳鋼進行計算。 主傳動功率P包括銑削功率，空載功率，附加功率三部分，即：P =++，對于一般輕載高速的中、小型機床，取=0.5P，故總功率為：P=+0.5 P+（1－），=0.5P/(2－)， 在進給傳動中銑削功率，查機床設(shè)計手冊得k=0.85 那么=0.85×0.5×1.1/(2－0.7)=0.36 切削時主軸上的扭矩為： 則主軸上最大扭矩為：=97400×0.36/400=876.6（） 銑刀的最大直徑為：10mm。主切削力=876.6/1=876.6N。銑削加工時主切削力與銑削進給抗力之間的值由《機床設(shè)計手冊》查得/=1.0~1.2，取/=1.2。則=1.2×=1051.9N，垂直分力與的比值為0.75~0.8，取/=0.8，=0.8×=841.5N。 3.4 步進電機的選擇 步進電動機又稱脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個電脈沖就轉(zhuǎn)動一步，即每當(dāng)電動機繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量頻率以及電動機繞組的通電順序，電動機即可獲得所需的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制。 （1）應(yīng)用中需要注意的幾點： ①步進電機應(yīng)用于低速場合——每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。 ②步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。 ③由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源， 不過要考慮溫升。 ④轉(zhuǎn)動慣量大的負載應(yīng)選擇大機座號電機。 ⑤電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。 ⑥高精度時，應(yīng)通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數(shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少。 ⑦電機不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 ⑧電機在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。 ⑨應(yīng)遵循先選電機后選驅(qū)動的原則。 （2）步進電機的選擇 步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。 ①步距角的選擇 電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機軸上，每個當(dāng)量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。選用1.5度。 ②靜力矩的選擇 步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來。 ③電流的選擇 靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓） 綜上所述選擇電機一般應(yīng)遵循步驟如圖3-1所示： 圖3-1 選擇電機的步驟 ④力矩與功率換算 步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： ????P=ΩM ???Ω=2n/60 ????P=2nM/60 ????其中P為功率，單位為瓦；Ω為每秒角速度，單位為弧度；n為每分鐘轉(zhuǎn)速；M為力矩，單位為牛頓·米。 ????P=2fM/400(半步工作) ????其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS）。 （3）混合式步進電機控制系統(tǒng)優(yōu)缺點 混合式步進電機控制系統(tǒng)的優(yōu)點正是由混合式步進電機特殊的結(jié)構(gòu)所帶來的，簡而言之它具有穩(wěn)定可靠、性能好、運行平穩(wěn)等優(yōu)點，以和最具有可比性的反應(yīng)式步進電機系統(tǒng)相比為例。 首先，混合式步進電機系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較高，由于驅(qū)動器是系統(tǒng)中可靠性最薄弱的一個部分，所以系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性主要是由驅(qū)動器的可靠性來決定的?；旌鲜诫姍C轉(zhuǎn)子上有永磁體，部分磁場已由轉(zhuǎn)子上的磁鋼產(chǎn)生，所以混合式電機繞組電流可以設(shè)計得比較小，而反應(yīng)式電機磁場完全由繞組電流產(chǎn)生，故欲和混合式電機產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩，在電機體積相差不太大的情況下，反應(yīng)式電機所需電流就要大得多。在當(dāng)前電力電子器件水平限制下，混合式電機的驅(qū)動器就比反應(yīng)式電機的驅(qū)動器要可靠得多，同時由于大的繞組電流，反應(yīng)式電機本體的發(fā)熱情況也要嚴(yán)重的多。 實際上，為產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩，反應(yīng)式電機不僅線圈電流大，而且定子線圈匝數(shù)多，電機體積大，繞組電感也大。由于繞組電感大，反應(yīng)式驅(qū)動器必須要以高壓驅(qū)動才會有比較好的高頻性能，但這樣驅(qū)動器的可靠性會明顯變差；如果反應(yīng)式驅(qū)動器取和混合式驅(qū)動器一樣的驅(qū)動電壓時，電機的高頻轉(zhuǎn)矩明顯要小，這也是反應(yīng)式電機系統(tǒng)性能比混合式電機系統(tǒng)差的一個重要原因。 混合式步進電機一般步距角θ較小，再加上混合式步進電機共振區(qū)不明顯，振蕩較小，在控制步進電機升降頻規(guī)律一致的情況下，運行要比反應(yīng)式步進電機穩(wěn)定。 混合式步進電機系統(tǒng)的缺點在于混合式步進電機的制造比較復(fù)雜，電機的成本相對較高；其次是雖然混合式步進電機共振區(qū)不明顯，振蕩較小，但依然影響性能。 脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)精度要求來確定，一般取為0.01~0.02mm。如取得太大，無法滿足系統(tǒng)精度要求，如取得太小，或者機械系統(tǒng)難以實現(xiàn)，或者對其精度和動態(tài)性能提出過高要求，使經(jīng)濟性降低。所以根據(jù)數(shù)控鉆銑床的精度要求，步進電動機脈沖當(dāng)量：，步角距。由于無減速裝置，所以由=/360×可知，滾珠絲杠螺距，即基本導(dǎo)程=4mm。一般來講，反應(yīng)式步進電機步距角較小，運行頻率高，價格較低，但功耗較大，永磁式步進電機功耗較小，斷電后仍有制動力矩，但步距角較大，啟動和運行頻率較低，混合式步進電機由上述兩種電機的優(yōu)點，但價格較高。 考慮到該機床垂直進給方向需用自鎖機構(gòu)，所以選用具有自鎖功能的混合式步進電機。 （4）計算選擇 ①步進電機轉(zhuǎn)軸上啟動力矩的計算 銑削時：=1051.9N, =841.5N， 分別取=0.03，G=300N,=1.8mm/step =36×0.01×[1051.9+0.03×（300+841.5）]/(2×1.8×0.7) =49.4 由手冊可知：/=0.866， 步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩=/0.866=49.4/0.866=57 ②確定步進電機最高工作頻率 ，假定=0.025m/s =1000×0.025/0.02=1250 根據(jù)以上參數(shù)，初選混合式步進電機。57BYGH6403采用兩相四拍的通電方式。相數(shù)，3；步距角，；電流，2.5A；靜力矩,110；轉(zhuǎn)動慣量，280；引線數(shù)，4。 3.5 滾珠絲杠的選擇 （一） 滾珠絲杠的特點 滾珠絲杠螺母副（以下簡稱滾珠絲杠副）是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)話的一種新型傳動機構(gòu)，在數(shù)控銑床中得到了廣泛的應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)特點是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠，使絲杠和螺母之間的運動成為滾動，以減少摩擦。在數(shù)控機床的傳動中，經(jīng)常用于代替滑動絲杠，以提高傳動精度。 絲杠螺母副的特點： （1）用較小的扭矩轉(zhuǎn)動絲杠（或螺母），可使螺母（或絲杠）獲得較大的軸向牽引力。 （2）可達到很大的降速比，使降速機構(gòu)大為簡化，傳動鏈的以縮短。 （3）能達到較高的傳動精。用于進給機構(gòu)時,還可兼作測量元件，通過刻度盤讀出直線位移的尺寸，最小數(shù)值可達0.0001mm。 （4）傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動效率=0.92~0.96,而一般的常規(guī)（滑動）絲杠螺母副的=0.20~0.40。所以滾珠絲杠的傳動效率比常規(guī)絲杠的傳動效率提高了3~4倍。因此功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲杠螺母副的1/3~1/4。 （5）給予適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙，這樣反向時就可以沒有空程死區(qū)，反向定位精度高。與常規(guī)絲杠螺母副比較有較高的軸向精度。 （6）運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。滾珠絲杠基本上是滾動摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小幾乎和運動速度完全無關(guān)，這樣就可以保證運動的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠基本上是滾動摩擦，與常規(guī)絲杠螺母副比較不宜出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，故傳動精度高。 （7）有可逆性，由于滾珠絲杠副摩擦系數(shù)小，可以從旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也可以由直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。絲杠和螺母都可以作為主動件，也可以作為從動件。 （8）制造工藝復(fù)雜，滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求較高，光潔度要求也高，故制造成本高。例如絲杠和螺母上的螺旋槽滾道，一般都要求磨削成型表面的。 （9）不能自鎖，特別是垂直絲杠，由于自重慣性力的關(guān)系，下降時當(dāng)傳動切斷后，不能立刻停止運動，故常需要添加制動裝置。 在設(shè)計滾珠絲杠時，首先要確定其名義直徑、螺距及滾珠直徑等。確定滾珠絲杠的上述參數(shù)時，目前采用的方法是，在防止疲勞點蝕的基礎(chǔ)上，即滾性絲杠在工作過程中受軸向負載時，在滾珠和滾道型面間使產(chǎn)生接觸應(yīng)力。在這種交變接觸應(yīng)力的作用下，經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠或滾道型面產(chǎn)生疲勞剝傷，而使?jié)L珠副喪失其工作性能，這是滾球絲杠副的主要破壞形式。在設(shè)計滾珠絲杠副時，必須保證在一定的軸向負載作用下，這種名義直徑D和螺距t的滾珠絲杠在回轉(zhuǎn)一百萬轉(zhuǎn)后，在他的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點蝕現(xiàn)象，這個負載的最大值稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動負載。 （二） 滾珠絲杠的選擇計算 （1）動載荷C的計算 其中—載荷系數(shù)取為1.0， —硬度系數(shù)取為1.2， —最大的工作負載 L—使用壽命 工作負載F是指數(shù)控機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，他的數(shù)據(jù)可用進給牽引力的實驗公式計算： 對于類似燕尾型尋軌的機床 = —X方向的切削力 —Y方向的切削力 —Z方向的切削力 G—移動部件的重量 —導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) k—考慮顛復(fù)力矩影響的實驗系數(shù) 選用滾動導(dǎo)軌，在正常潤滑情況下，對于類似燕尾型尋軌 k=1.4 ，=0.03 在銑削過程中，=841.5N ，=0， =1051.9N ，G=300N =1.4×0+0.03×(841.5+2×1051.9+300)=97.4N 而L=60nT/10 式中n—滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min） T—使用壽命（小時） 對于數(shù)控機床，n一般取1250 r/min，T一般取15000h， 因為L=60×1250×15000/10=1125 C=×1.0×1.2×94.7=1181.9N 查表初步選用的型號為N系列1604-3，3列Q=4612N較為合適，這是一種內(nèi)循環(huán)墊片調(diào)隙單螺母的滾珠絲杠副，其主要參數(shù)如下： 名義直徑：=20mm，基本導(dǎo)程t=5mm，鋼球直徑：=3.725 mm ，絲杠內(nèi)徑=17.96mm，絲杠外徑=19.4mm ，循環(huán)列數(shù)3，額定動負載=6367 N ，螺母外徑D=72 mm，螺母內(nèi)徑=32 mm，螺母長度L=40 mm。 （2）校核 ①效率計算： 從《機械原理》中得知，滾珠絲杠螺母副的傳動效率 式中：—螺紋的螺旋升角； = —摩擦角； 滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)=0.003~0.004， 其摩擦角約等于(=0.003~0.004)。 0.965 ②剛度的驗算 數(shù)控機床的滾珠絲杠是一種精密的傳動元件，它在工作負載P的作用下，將伸長或縮短，在扭矩M的作用下，將向一方或另一方扭轉(zhuǎn)，這樣，滾珠絲杠的螺距就要產(chǎn)生變化，從而影響其傳動精度和定位精度，因此，滾珠絲杠應(yīng)驗算其滿載時的變形量。 從《材料力學(xué)》中得知，滾珠絲杠受工作負載（軸向力）P的作用而引起一個螺距t的變化量,可按下式計算： (cm) 其中：P—工作負載； t—滾珠絲杠螺距； E—彈性模數(shù)，對鋼而言（E=20.1×）； F—滾珠絲杠的橫截面積（按內(nèi)徑而定）； =1.4×cm 滾珠絲杠受扭矩M作用而引起一個螺距t的變化量，可以按下式計算： (cm) 其中—在扭矩M的作用下，滾珠絲杠每一螺距長度兩截面上的相對扭轉(zhuǎn)角； 其中，M—扭矩（）, =6.43 G—扭轉(zhuǎn)彈性；對鋼而言，G= —滾珠絲杠載面積的極慣性矩 （其中d—滾珠絲杠的內(nèi)徑，cm） =2889.8 = =1.06× ==6.75×cm(可忽略不計) 如果Y方向的滾珠絲杠的長度為100cm,則整個工作長度上的螺距變形總誤差： △=100/0.4=3.5×cm/m 查表得對E級絲杠，允許誤差△=15，故該滾珠絲杠滿足要求。 ③穩(wěn)定性驗算 機床的進給絲杠通常是一種受軸向力的壓桿，如果軸向力過大，可使絲杠失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生翹曲。機床上的進給絲杠一般均為長柱。長柱壓桿失穩(wěn)時的臨界負載，可用《材料力學(xué)》中的歐拉公式計算 （N） E—絲杠材料的彈性模數(shù)，對鋼而言E=2.1×； J—截面慣性矩，對實心圓桿而言，=1445； l—絲杠的工作長度，l=20cm； u—絲杠的軸端系數(shù)，由支撐條件決定，本設(shè)計是兩端向心軸承，u=1 =7.5×N 臨界負載與工作負載P之比成為穩(wěn)定性安全系數(shù)。如果穩(wěn)定性安全系數(shù)大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[]，則該壓桿安全不致失穩(wěn)。 7.7×>>[]=4 故此滾珠絲杠不致失穩(wěn)。 ④由于鉆、銑工作時，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速比較低，滾珠絲杠傳動時的振動就會非常小，所以臨界轉(zhuǎn)速就不用校核了。 3.6 軸承的選擇 機床傳動軸的滾動軸承的失效形式，主要是在循環(huán)接觸應(yīng)力下的作用，滾動體和滾道表面上出現(xiàn)疲勞破環(huán)。即通常所說的疲勞剝落。而絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠和工作臺的重量外，一般無外載荷，對絲杠軸承的要求主要是軸向精度和剛度較高，摩擦力矩要小。所以選用角接觸球軸承，該軸承是與滾珠絲杠配合的專用軸承，其主要特點如下： （1）接觸角大，鋼球數(shù)多，承載能力高，剛度高。 （2）既能承受軸向載荷，也能承受徑向載荷，支撐結(jié)構(gòu)可以簡化。 （3）軸承啟動摩擦力矩小，降低絲杠副的驅(qū)動功率，提高進給系統(tǒng)的靈敏度。 現(xiàn)選用7000C型號，基本尺寸為:d=10mm，外徑D=26mm，寬度B=8mm，基本額定動負荷=4.29KN，基本額定靜載荷=2.25KN，極限轉(zhuǎn)速（油潤滑）為28000。 對軸承的疲勞壽命進行校核：由《機械設(shè)計》可知， 軸承的基本額定壽命為： 式中：P—當(dāng)量動載荷； —基本額定壽命； —壽命指數(shù)，一般球軸承=3； n—軸承工作轉(zhuǎn)速，n=1250； C—基本額定動載荷，C=2250N； 其中： —沖擊載荷系數(shù)，取1.1； —徑向載荷； X、Y—徑向動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù)。X=0.44,Y=1； P=1.1×(0.44×0+97.4)=107.1N 123628.3h>15000h 所以該軸承的選用也是合格的。 3.7 導(dǎo)軌的選擇 銑床上的直線運動部件都是沿著它的床身、立柱、橫梁等支承件上的導(dǎo)軌進行運動的，導(dǎo)軌的作用概括地說是對運動部件起導(dǎo)向和支承作用。在導(dǎo)軌副（如工作臺和床身導(dǎo)軌）中，運動的另一方（如工作臺導(dǎo)軌）叫作動導(dǎo)軌，不動的另一方（如床身導(dǎo)軌）叫做支承導(dǎo)軌。 按摩擦性質(zhì)分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。在滑動導(dǎo)軌中有靜壓導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和普通滑動導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)軌的原理和靜壓滑動軸承相同，該導(dǎo)軌多用于進給運動導(dǎo)軌。動壓倒軌，當(dāng)導(dǎo)軌面間的相對滑動速度達到一定值后，液體的動壓效應(yīng)是導(dǎo)軌的油腔處出現(xiàn)壓力油楔，把兩導(dǎo)軌面分開，從而形成以液體摩擦，這種導(dǎo)軌只能用于高速的場合，故僅用作主運動導(dǎo)軌，例如立式銑床導(dǎo)軌。普通滑動導(dǎo)軌的摩擦狀態(tài)有的為混合摩擦。 按受力狀態(tài)可分為開式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。在部件自重和外載作用下，導(dǎo)軌面在導(dǎo)軌全長上可以始終貼合的稱為開式導(dǎo)軌，如龍門銑床的工作臺和床身導(dǎo)軌。部件的自重不能使主導(dǎo)軌面始終貼合，就必須增加壓板，形成輔助導(dǎo)軌面，稱為閉式導(dǎo)軌。 （一）導(dǎo)軌選擇考慮的因素： （1）導(dǎo)向精度 導(dǎo)軌在空載下運動和在切削條件下運動時，都應(yīng)具有足夠的導(dǎo)向精度。保證軸承運動的準(zhǔn)確性，是保證導(dǎo)軌工作質(zhì)量的前提。 （2）幾何精度 直線運動導(dǎo)軌的幾何精度一般包括：導(dǎo)軌在豎直平面內(nèi)的直線度（簡稱A項精度）；導(dǎo)軌在水平平面內(nèi)的直線度（簡稱B項精度）；兩導(dǎo)軌面間的平行度，也叫作扭曲（簡稱C項精度）。在A、B兩項精度中，都規(guī)定了導(dǎo)軌在每米長度上和導(dǎo)軌全長上，兩導(dǎo)軌面間在橫向每米長度上的扭曲值。 （3）接觸精度 磨削和刮研的導(dǎo)軌表面，接觸精度按的規(guī)定，采用著色法進行檢查。用接觸面所占的百分比或面積內(nèi)接觸點數(shù)衡量。 （4）精度保持性 影響精度保持性的主要因素是磨損。提高耐磨性以保持精度，是提高機床質(zhì)量的主要內(nèi)容之一，也是科學(xué)研究的一大課題。常見的磨損形式有磨料（硬粒）磨損、粘著磨損（或咬焊）和接觸疲勞。磨料磨損經(jīng)常發(fā)生在邊界摩擦和混合摩擦狀態(tài)。磨粒夾在導(dǎo)軌面間隨之相對運動，形成對導(dǎo)軌面的切削，使導(dǎo)軌面產(chǎn)生劃傷。磨料的硬度越高，相對滑動速度越大，壓強越大，對摩擦副的危害也越大。磨料磨損很難避免，是導(dǎo)軌防護的重點。粘著磨損也稱為分子——機械磨損。當(dāng)兩個摩擦表面相互接觸時，在高壓強下材料產(chǎn)生塑性變形，相對運動時的摩擦，又使表面層的氧化膜破壞，在新暴露出來的金屬表面之間，就會產(chǎn)生分子間的相互吸引和滲透，使接觸點粘結(jié)而發(fā)生咬焊。接觸面的相對運動又要將咬焊點拉開，就造成撕裂性破壞。咬焊是不允許發(fā)生的。接觸疲勞發(fā)生在滾動摩擦副中，也是無法避免的。 （5）低速運動平穩(wěn)性 當(dāng)導(dǎo)軌作低速運動或微量位移時，應(yīng)保證導(dǎo)軌運動的平穩(wěn)性，即不出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。低速運動平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料和潤滑，與動、靜摩擦系數(shù)的差值，與傳動導(dǎo)軌運動的傳動鏈的剛度有關(guān)。 （6）結(jié)構(gòu)簡單平穩(wěn)性好 大多數(shù)機床的導(dǎo)軌都要淬硬，因此導(dǎo)軌的精加工，不能淬硬。設(shè)計時要注意使導(dǎo)軌的制造和維修方便，刮研量少。如果采用鑲裝導(dǎo)軌，則應(yīng)盡量做到更換容易。 （二）導(dǎo)軌的潤滑 （1）潤滑的目的、要求及方法 潤滑的目的是為了降低摩擦力、減少磨損、降低溫度和防止生銹。潤滑要求供給導(dǎo)軌清潔的潤滑油。油量可以調(diào)節(jié)。盡量采取自動和強制潤滑。潤滑元件要可靠。要有安全裝。例如靜壓導(dǎo)軌在未形成油膜之前不能開車和潤滑不正常有報警信號等。 導(dǎo)軌的潤滑方式有很多。可以人工定期向?qū)к壝鏉灿?。此法簡單易行，但不能?jīng)常保證足夠的潤滑。也可在運動部件上裝油杯，使油沿油孔流或滴向?qū)к壝妫部稍谶\動導(dǎo)軌面上裝潤滑電磁泵?；蚴謩訚櫥捅?，定時拉動幾下供油。 為使?jié)櫥驮趯?dǎo)軌面上較均勻的分布，保證潤滑效果，需在導(dǎo)軌面上開出油溝。 （2）潤滑油的選擇 導(dǎo)軌常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂，滑動導(dǎo)軌用潤滑油，滾動導(dǎo)軌兩者都可用。 導(dǎo)軌潤滑油的粘度可根據(jù)導(dǎo)軌的工作條件和潤滑方式選擇。高速低載荷可用粘度較低的潤滑油，反之，則用粘度較高的潤滑油。低載荷，高、中速的中、小型機床進給導(dǎo)軌，可用導(dǎo)軌油；中載荷的中低速導(dǎo)軌，可采用導(dǎo)軌油；重型機床的低速導(dǎo)軌，可用或?qū)к売汀? 3.8 聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器是用來聯(lián)接兩進給機構(gòu)的兩根軸使之一起回轉(zhuǎn)傳遞扭矩和運動的一種裝置。目前聯(lián)軸器的類型繁多，有液力式、電磁式和機械式。機械式聯(lián)軸器的應(yīng)用最為廣泛。 套筒聯(lián)軸器構(gòu)造簡單，徑向尺寸小，但裝卸困難（軸需作軸向移動）。且要求兩軸嚴(yán)格對中，不允許有徑向或角度偏差，因此使用時受到一定限制?！　±@行聯(lián)軸器采用錐形夾緊環(huán)傳遞載荷，可使動力傳遞沒有方向間隙?！　? 凸緣式聯(lián)軸器構(gòu)造簡單、成本的、可傳遞較大扭矩，常用于轉(zhuǎn)速低、五種及、軸的剛性大及對中性好的場合。他的主要缺點是對兩軸的對中性要求很高。若兩軸間存在位移與傾斜，救在機件內(nèi)引起附加載荷，使工作狀況惡化。 由此，在進行數(shù)控銑床的設(shè)計時，具體選用何種聯(lián)軸器應(yīng)根據(jù)上述幾種類型各自的優(yōu)缺點予以全面考慮。 3.9 傳動裝置的選擇 傳動裝置種類繁多，一般選用閉式標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動。齒輪傳動的適用范圍很廣，傳遞功率可高達數(shù)萬千瓦，圓周速度可達150m/s(最高可達300m/s)。和其他機械傳動比較，齒輪傳動的主要優(yōu)點是工作可靠，使用壽命長；瞬時傳動比為常數(shù)；傳動效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度適用范圍很廣等。 第四章 實驗型數(shù)控銑床機械部分設(shè)計 由于所設(shè)計的實驗型數(shù)控銑床不同于一般實用加工型數(shù)控銑床，它主要用來教學(xué)實驗，加工材料主要是石蠟或塑料，機床設(shè)計手冊中沒有針對此種材料列出銑削力的計算公式，即使套用軟的材料來估算銑削力，也難免引起大的誤差，因此，不能完全按照前一章的設(shè)計計算方法來進行設(shè)計，必須綜合考慮，下面就來介紹實驗型數(shù)控銑床的主要設(shè)計過程。 4.1 步進電機的選擇 銑削力由刀具的材料、銑削工件的材料、切削用量等很多因素決定。對于本次銑床的設(shè)計，有特殊性，可采用三相異步電動機的電機功率和主軸上傳動的功率反估算出工作臺進給時的銑削力。這里可以根據(jù)經(jīng)驗選用型號為三相異步電動機即可滿足實驗型數(shù)控銑床主軸驅(qū)動的要求，其功率為90W，，。 該銑床的主傳動和進給傳動均用電機驅(qū)動，進給傳動的功率較小，可在主傳動功率上乘以一個系數(shù)，有機床設(shè)計手冊查的銑床=0.85。 主傳動功率P包括銑削功率，空載功率，附加功率三部分，即：P =++，空載功率是當(dāng)機床無切削負載時主傳動系統(tǒng)所消耗的功率，對于一般輕載高速的中、小型機床，可達總功率的，現(xiàn)取=0.5P，附加功率是指有了切削載荷后所增加的傳動件的摩擦功率，它直接與載荷大小有關(guān)，可以用下面的式子計算：=， 故總功率為：P=+0.5 P+，=0.5P/(2－)， 在進給傳動中銑削功率 26.9W 切削時主軸上的扭矩為： 現(xiàn)用代入得=131.0 設(shè)銑刀的最大直徑為8mm，銑削力 銑削加工時銑削進給抗力與銑削力之間的比值由機床設(shè)計手冊查得/=1.0~1.2，取/=1.0，則=163.75N。 垂直分力與的比值為0.75~0.8，取/=0.75，則=122.8N。 （1） 脈沖當(dāng)量、步距角和絲杠導(dǎo)程的選擇 脈沖當(dāng)量、步距角、絲杠導(dǎo)程和降速比之間的關(guān)系為： 其中，； 又由于無減速裝置，所以取1，可得=4 mm。 （2） 步進電機轉(zhuǎn)軸上啟動力矩的計算 式中：—脈沖當(dāng)量； —銑削進給抗力（N）； —垂直分力 （N）； G—移動部件的總重量 G=250N； —摩擦系數(shù) 設(shè)=0.2； 則=36×0.01×[163.75+0.2×（250+122.8）]/(2×0.9×0.58) =26.2 由手冊可知：/=0.866， 步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩=/0.866=26.2/0.866=30.25 （3） 確定步進電機最高工作頻率 ，假定=0.02m/s =1000×0.02/0.01=2000 （4）選擇步進電機 根據(jù)以上參數(shù)，初選混合式步進電機。57BYG250E采用兩相四拍的通電方式。相數(shù):2；步距角；電流3A；靜力矩110；轉(zhuǎn)動慣量: 330。 4.2 滾珠絲杠的選擇 （1）進給率引力的估算 作用在滾珠絲杠上的進給率引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)。 本次實驗型數(shù)控銑床采用圓柱形導(dǎo)軌，其相應(yīng)的計算公式為： 式中 、、—切削分力； —主軸上的扭矩； —主軸直徑； —軸套和軸架以及主軸的鍵上摩擦系數(shù)； 由經(jīng)驗取=10 ， 已知=122.8 則 （2）最大動負載的計算 選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定的軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)后，在一定的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象，這個軸向負載的最大值即稱為滾珠絲杠能承受的最大動負載，可用下式計算： 式中 L—使用壽命 以轉(zhuǎn)為一單位，； —絲杠轉(zhuǎn)速（），用下式計算； —最大銑削力條件下的進給速度（），可取最高進給速度的1/2~1/3； —絲杠導(dǎo)程，（）； —運轉(zhuǎn)系數(shù)，見表4-1： 表4-1 運轉(zhuǎn)系數(shù) 運轉(zhuǎn)狀態(tài) 運轉(zhuǎn)系數(shù) 無沖擊運轉(zhuǎn) 1.0~1.2 一般運轉(zhuǎn) 1.2~1.5 有沖擊運轉(zhuǎn) 1.5~2.5 因此 1260； ； （3）滾珠絲杠的選擇 查表初步選用的型號為，這是一種內(nèi)循環(huán)浮動反向器單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊滾珠絲杠副，其主要參數(shù)如下： 名義直徑：=20mm；基本導(dǎo)程=4mm；鋼球直徑：=3mm ；絲杠內(nèi)徑，此處取16mm ；絲杠外徑=19.2mm ；循環(huán)列數(shù)2 ；額定動負載 =4；螺母外徑 =60mm；螺母長度L=48 mm。 （4）傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率 式中 —絲杠螺旋長升角，=； —摩擦角，約為； —絲杠導(dǎo)程； —絲杠公稱直徑； 則 （5）剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性，故應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素。 ① 絲杠的拉伸或壓縮變形量 在總的變形量中占的比重較大，先計算滾珠絲杠受工作負載 的作用引起的導(dǎo)程的變形量( mm) = 式中：E—彈性模數(shù)，對鋼而言（E=20.1×）； F—滾珠絲杠的橫截面積（按內(nèi)徑而定）； 得 = 又因絲杠的拉伸或壓縮變形量= 式中 —滾珠絲杠在支承間的受力長度（mm），假設(shè)=200 mm 那么 = ② 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 當(dāng)滾珠絲杠加有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向最大負載的1/3時， 可減少一半，無預(yù)緊力時： = 式中 —一圈的滾珠數(shù)，=18； —滾珠數(shù)量，=圈數(shù)列數(shù)=1822=72；那么： =。 ③ 其它變形量 其它變形量對精度影響不大。 ④ 總變形量 4.67。 （6）穩(wěn)定性驗算 機床的進給絲杠通常是一種受軸向力的壓桿，如果軸向力過大，可使絲杠失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生翹曲，機床上的進給絲杠一般均為長柱。 產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負載 式中 I—截面慣性矩（），； —絲杠的支承方式系數(shù)，（當(dāng)一端固定，一端自由時，為0.25）； l—絲杠兩支承端的距離，取20； 則 = 臨界負載與最大工作負載之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果=則絲杠不失穩(wěn)。一般取=2.5~4， =2.4>> 所以所選絲杠不失穩(wěn)。 （7）滾珠絲杠支承選擇 本傳動系統(tǒng)的絲杠采用一端固定一端自由的結(jié)構(gòu)形式，固定端采用一對型號為7001C的角接觸球軸承背對背組配。 4.3 導(dǎo)軌的選擇 導(dǎo)軌按接觸面的摩擦性質(zhì)可以分為滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌三種。 滑動導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛度好、抗振性高等優(yōu)點，是機床上使用最廣泛的導(dǎo)軌形式。通過選用合適的導(dǎo)軌材料和采用相應(yīng)的熱處理及加工方法，可以提高滑動導(dǎo)軌的耐磨性及改善其摩擦特性。 本次實驗型數(shù)控銑床的設(shè)計選用滑動導(dǎo)軌中的圓柱形導(dǎo)軌。 圓柱形導(dǎo)軌其優(yōu)點為制造簡單，內(nèi)孔可珩磨，與磨削后的外圓可以精密配合。 第五章 實驗型數(shù)控銑床的控制系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)與被控機床本體的結(jié)合體稱為數(shù)控機床。它集機械制造、計算機、微電子、現(xiàn)代控制及精密測量等多種技術(shù)為一體，使傳統(tǒng)的機械加工工藝發(fā)生了質(zhì)的變化。這個變化的本質(zhì)就在于用數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了加工過程的自動化。 5.1 數(shù)控系統(tǒng)的組成 數(shù)控系統(tǒng)一般由輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、驅(qū)動控制裝置、機床電氣邏輯控制裝置四部分組成，機床本體為被控對象，如圖5-1所示。 圖5-1 數(shù)控系統(tǒng)組成的一般形式 數(shù)控系統(tǒng)是嚴(yán)格按照外部輸入的程序?qū)ぜM行自動加工的。數(shù)控加工程序按零件加工順序記載機床加工所需的各種信息，有零件加工的軌跡信息（如幾何形狀和幾何尺寸等）、工藝信息（如進給速度和主軸轉(zhuǎn)速等）及開關(guān)命令（如換刀、冷卻液開/關(guān)和工作裝/卸等）。加工程序常常記錄在各種信息載體上，通過各種輸入裝置，信息載體上的數(shù)控加工程序?qū)⒈粩?shù)控裝置所接收。 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用可編程控制器取代了傳統(tǒng)的機床電器邏輯控制裝置，用可編程控制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)控機床的各種繼電器控制邏輯?？删幊炭刂破骺晌挥跀?shù)控裝置之外，稱獨立型可編程控制器；可以與數(shù)控裝置合為一體，稱內(nèi)裝型可編程控制器。 5.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容 可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）是以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置。它是計算機家族中的一員，是為了工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計的，主要用于代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。這種控制裝置將傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)與計算機技術(shù)結(jié)合在一起，具有高可靠性，靈活通用，易于編程，使用方便等特點，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，它的功能早已大大超出了邏輯控制的范圍，因此近年來在工業(yè)自動控制，機電一體化，改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面得到廣泛地應(yīng)用。 雖然各種PLC的組成各不相同，但是在結(jié)構(gòu)上是基本相同的，一般由CPU，存儲器，輸入輸出設(shè)備（I/O）和其他的可選部件組成。CPU是PLC的核心，它用于輸入各種指令，完成預(yù)定的任務(wù)。自整定，預(yù)測控制和模糊控制等先進的控制算法也已經(jīng)在CPU中得到了應(yīng)用存儲器包括隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM，通常將程序以及所有的固定參數(shù)固化在ROM中，RAM則為程序運行提供了存儲實時數(shù)據(jù)與計算中間變量的空間；輸入輸出系統(tǒng)（I/O）使過程狀態(tài)和參數(shù)輸入到PLC的通道以及實時控制信號輸出的通道，這些通道可以有模擬量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、脈沖量輸入等，使PLC的應(yīng)用十分廣泛。 5.2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 任何一種控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，應(yīng)遵循以下基本原則： 1 b8 e& [（1）最大限度地滿足被控對象的控制要求2 C% I: f9 |" O, { - m5 T8 ???m& d充分發(fā)揮PLC的功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求，是設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設(shè)計中最重要的一條原則。這就要求設(shè)計人員在設(shè)計前就要深入現(xiàn)場進行調(diào)查研究，收集控制現(xiàn)場的資料，收集相關(guān)先進的國內(nèi)、國外資料。同時要注意和現(xiàn)場的工程管理人員、工程技術(shù)人員、現(xiàn)場操作人員緊密配合，擬定控制方案，共同解決設(shè)計中的重點問題和疑難問題。 / l8 e' ?; r/ i% y7 u, N3 H5 o8 _2 |- J, I（2）保證PLC控制系統(tǒng)安全可靠" V+ p# F* ]??T$ Z$ ^1 , a: @" Q5 v$ t: }. a保證PLC控制系統(tǒng)能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定運行，是設(shè)計控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設(shè)計者在系統(tǒng)設(shè)計、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確保控制系統(tǒng)安全可靠。例如：應(yīng)該保證PLC 程序不僅在正常條件下運行，而且在非正常情況下（如突然掉電再上電、按鈕按錯等），也能正常工作。 （3）* `7 s9 m3 {4 D- }4 l8 p 力求簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便& h??O 一個新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，但新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護也將導(dǎo)致運行資金的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地擴大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設(shè)計者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護方便、成本低，不宜盲目追求自動化和高指標(biāo)。 ( O8 x1 {2 ~" o6 x) o: I) x（8 {994）適應(yīng)發(fā)展的需要 #由于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會不斷地提高，設(shè)計時要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。這就要求在選擇PLC、輸入/輸出模塊、I/O點數(shù)和內(nèi)存容量時，要適當(dāng)留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進。 , a: @" Q5 v$ t: }. a保證PLC控制系統(tǒng)能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定運行，是設(shè)計控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設(shè)計者在系統(tǒng)設(shè)計、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠。例如：應(yīng)該保證PLC 程序不僅在正常條件下運行，而且在非正常情況下（如突然掉電再上電、按鈕按錯等），也能正常工作。 （3）* `7 s9 m3 {4 D- }4 l8 p 力求簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便& h??O 一個新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，但新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護也將導(dǎo)致運行資金的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地擴大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設(shè)計者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護方便、成本低，不宜盲目追求自動化和高指標(biāo)。 ( O8 x1 {2 ~" o6 x) o: I) x（8 {994）適應(yīng)發(fā)展的需要 #由于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會不斷地提高，設(shè)計時要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。這就要求在選擇PLC、輸入/輸出模塊、I/O點數(shù)和內(nèi)存容量時，要適當(dāng)留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進。 5.2.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟 （1）確定系統(tǒng)運行方式與控制方式。PLC可構(gòu)成各種各樣的控制系統(tǒng)，如單機控制系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)等。在進行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計時，要確定系統(tǒng)的構(gòu)成形式。 （2）選擇用戶輸入設(shè)備(按鈕、操作開關(guān)、限位開關(guān)、傳感器等)、輸出設(shè)備(繼電器、接觸器、信號燈等執(zhí)行元件)以及由輸出設(shè)備驅(qū)動的控制對象(電動機、電磁閥等)。這些設(shè)備屬于一般的電氣元件，其選擇的方法屬于其他課程的內(nèi)容。 （3）PLC的選擇。PLC是控制系統(tǒng)的核心部件，正確選擇PLC對于保證整個控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)起著重要的作用。選擇PLC應(yīng)包括機型選擇、容量選擇、I/O模塊選擇、電源模塊選擇等。 （4）分配I/O點，繪制I/O連接圖，必要時還須設(shè)計控制臺(柜)。 （1）確定系統(tǒng)運行方式與控制方式。PLC可構(gòu)成各種各樣的控制系統(tǒng)，如單機控制系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)等。在進行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計時，要確定系統(tǒng)的構(gòu)成形式。 （2）選擇用戶輸入設(shè)備(按鈕、操作開關(guān)、限位開關(guān)、傳感器等)、輸出設(shè)備(繼電器、接觸器、信號燈等執(zhí)行元件)以及由輸出設(shè)備驅(qū)動的控制對象(電動機、電磁閥等)。這些設(shè)備屬于一般的電氣元件，其選擇的方法屬于其他課程的內(nèi)容。 （3）PLC的選擇。PLC是控制系統(tǒng)的核心部件，正確選擇PLC對于保證整個控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)起著重要的作用。選擇PLC應(yīng)包括機型選擇、容量選擇、I/O模塊選擇、電源模塊選擇等。 （4）分配I/O點，繪制I/O連接圖，必要時還須設(shè)計控制臺(柜)。 5.3 步進電機驅(qū)動器的選擇 步進電機的運行特性與配套使用的驅(qū)動電源有密切聯(lián)系。驅(qū)動電源由環(huán)形脈沖分配器、功率放大器組成如圖5-2所示： 圖5-2 驅(qū)動電源 驅(qū)動電源是將變頻信號源（微機或數(shù)控裝置等）送來的脈沖信號及方向信號按照要求的配電方式自動地循環(huán)供給電動機的各個繞組，以驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。從計算機輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安，不能直接驅(qū)動步進電機，必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大，使其增加到幾至幾十毫安，從而驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量和頻率就可精確地控制步進電機的轉(zhuǎn)角和速度。 環(huán)形分配器輸出的電流很?。ê涟布墸?，不能直接驅(qū)動步進電機，需要功率器將脈沖電流放大到幾安培甚至幾十安培，才能驅(qū)動電動機。放大電路對步進電機的性能起著非常重要的作用。功率放大的類型很多，從放大元器件來分，可以用功率晶體管、可關(guān)斷晶閘管、混合元件來組成放大電路；從工作原理來分，有單電壓、高低電壓切換、恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓、細分驅(qū)動電路等。從工作原理上講，目前用的最多的是恒流斬波電路。 CNC系統(tǒng)對步進電機驅(qū)動電源的要求是要能提供幅值足夠、前沿較好的激磁電流，并且本身功耗小，效率高，運行可靠平穩(wěn)。 基于以上原則，作者采用了SH-20806C型步進電機驅(qū)動器，該型驅(qū)動器用于驅(qū)動四通電機42、45、56、57、86BYG系列以及其他品牌兩相混合式步進電機，采用改善半步運行模式。由于采用了H橋恒相流驅(qū)動方式，并允許較大的輸入電壓范圍，保證了電機的快速響應(yīng)。尤其是采用特殊技術(shù)消除了標(biāo)準(zhǔn)半步驅(qū)動方式下的力矩波動，從而使電機出力提高約40％，同時抑制了振動，降低了噪音。超大規(guī)模集成電路的使用結(jié)合四通電機成熟完善的功率電子技術(shù)，使該款驅(qū)動器具有高功率，小體積，性能突出，成本低廉的特點。適用于分辨率要求不高，大批量，低成本的應(yīng)用場合。 5.4 變頻器的選擇 5.4.1 變頻器的結(jié)構(gòu) 它主要包括接線端子和操作面板兩大部分。操作面板用來進行內(nèi)部控制方式的各種操作和各種參數(shù)的設(shè)置。接線端子使變頻器和電動機、外部控制信號連接。 常用控制信號接線端子的功能如下表所示。 端子號 端子名稱 端子功能 相關(guān)參數(shù)的設(shè)定值 1 頻率設(shè)定用電位器輸入端 電位器的固定端接端子1、3，中心引線接2。調(diào)節(jié)電位器，即可改變設(shè)定頻率 P09:應(yīng)設(shè)為2 2 頻率設(shè)定模擬量輸入端 3 公共端 5 運行/停止輸入端 5與3導(dǎo)通，變頻器RUN，否則STOP P08：應(yīng)設(shè)為4 6 正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)輸入端 6與3導(dǎo)通，電動機正轉(zhuǎn)，否則反轉(zhuǎn) 10 開路式輸出端 根據(jù)P25的設(shè)定值的不同，10、11接通的意義不同。詳細說明請參考使用說明書。 11 開路式輸出端 A 繼電器觸頭輸出端 A-C為常開觸頭、B-C為常閉觸頭，根據(jù)P26的設(shè)定值的不同，觸頭導(dǎo)通的意義不同。詳細說明請參考使用說明書 B 繼電器觸頭輸出端 C 繼電器觸頭輸出端 5.4.2 運行方式 VFO超小型變頻器有內(nèi)部運行和外部運行兩種運行模式。 內(nèi)部運行模式由操作面板上的各種控制鍵實現(xiàn)變頻器頻率的設(shè)定和運行、停止以及正、反轉(zhuǎn)控制。 外部運行模式用連接在1、2、3端子上的外部電位器設(shè)定變頻器的頻率以及用連接在5、6與3之間的開關(guān)的閉合、斷開來控制變頻器的運行、停止和正反轉(zhuǎn)。 5.5 定位模塊的選擇 三菱公司的FX2N系列PLC 在工業(yè)控制中應(yīng)用非常廣泛,利用其強大的功能指令能開發(fā)出較復(fù)雜的控制功能,如專用數(shù)控機床上常用的兩軸聯(lián)動功能。但要設(shè)計出有變頻升降速等一系列很完善的兩軸聯(lián)動功能,編程煩瑣,同時系統(tǒng)的控制速度很難達到。因此,在開發(fā)如專用數(shù)控刨床、數(shù)控雕刻機、自動碾鉚機等一些專用設(shè)備時,往往用PLC 擴展專用模塊FX2N- 20GM 來負責(zé)那些復(fù)雜的控制功能。20GM 是三菱公司的兩軸定位控制單元,屬于帶CPU 的智能模塊,它可實現(xiàn)完善的直線插補、圓弧插補等控制功能;它與PLC 并行工作,不但提高了控制功能及速度,而且大大簡化了編程工作。 選用FX2N-20GM脈沖發(fā)生單元（后面稱作“PGU”），通過給伺服電機驅(qū)動器或步進電機驅(qū)動器發(fā)脈沖，可實現(xiàn)兩軸定位（可實現(xiàn)兩軸聯(lián)動控制）。 作為PLC的一種特殊模塊，可單獨工作，也可與PLC連接使用。當(dāng)與FX2N系列的PLC連接使用時，利用模塊自帶扁平電纜直接與PLC的擴展口或擴展模塊擴展口連接；模塊地址依與PLC連接的順序從左往右分別為#0、#1、#2、……；與PLC之間使用FROM和TO 指令傳遞數(shù)據(jù)與命令。 5.5.1 主要控制信號 FX2N-20GM脈沖發(fā)生單元主要控制信號的功能和意義， 如下表所示： Y軸 X軸 連接器 管腳號 連接器 管腳號 名稱 功能 COM1 1 COM2 11 START 自動操作開始輸入端 2 12 STOP 停止運行輸入端 3 13 ZRN 手動回原位輸入端 4 14 FWD 正向旋轉(zhuǎn)控制輸入端 5 15 RVS 反向旋轉(zhuǎn)輸入端 6 16 DOG 原位信號輸入端 7 17 LSF 正向限位開關(guān)輸入端 8 18 RSF 反向限位開關(guān)輸入端 9 19 COM1 輸入信號公共端 COM4 1 COM3 1 SVRDY 伺服準(zhǔn)備好 2,12 2，12 COM6（Y） COM3（X） 1、11的公共端 6 6 FP 正向脈沖輸出端 7、8、17、18 7、8、17、18 VIN FP、RP的電源輸入 （5V、24V） 9、19 9、19 COM9（Y） COM5（X） FP、RP的公共端 11 11 SVEND 伺服定位完成 13 13 PG0 原位開關(guān)輸入端 14 14 COM8（Y） COM4（X） 原位開關(guān)公共端 16 16 RP 反向脈沖輸出端 5.5.2 主要參數(shù) FX2N-20GM脈沖發(fā)生單元主