大直徑鉆銑床設(shè)計(jì)及控制【含7張CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)】
大直徑鉆銑床設(shè)計(jì)及控制【含7張CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)】,含7張CAD圖紙、說(shuō)明書(shū),直徑,銑床,設(shè)計(jì),控制,CAD,圖紙,說(shuō)明書(shū)
摘要
由于生產(chǎn)發(fā)展的需要，機(jī)床對(duì)加工精度、生產(chǎn)效率提出更高的要求。機(jī)床在結(jié)構(gòu)上發(fā)生改變，床身也增大了，尤其對(duì)加工尺寸要求相應(yīng)的增多。
本設(shè)備主要是用來(lái)對(duì)大直徑的圓形零部件在圓周上進(jìn)行銑削加工和規(guī)定位置上進(jìn)行銑平面或鉆孔,它的主要控制系統(tǒng)由Siemens的SINUMERIC 802C base line控制,由流水線上的PLC信號(hào)進(jìn)行引導(dǎo),利用光柵尺作為反饋信號(hào)。
在本次設(shè)計(jì)的過(guò)程中,采用了易于控制的步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力裝置,控制方式采用閉環(huán)控制,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(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)完成機(jī)床的橫、豎向運(yùn)動(dòng)，機(jī)械導(dǎo)向機(jī)構(gòu)則采用滾珠導(dǎo)軌和滑動(dòng)導(dǎo)軌相結(jié)合的方式完成橫、豎向?qū)蜻\(yùn)動(dòng)。
數(shù)控機(jī)床是新型的自動(dòng)化機(jī)床，它具有廣泛通用性和很高的自動(dòng)化程度。數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化重要的裝置，是發(fā)展柔性生產(chǎn)的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)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(jìn)電機(jī)
Abstract
Due to production development needs, machine machining precision and efficiency of production to put forward higher requirement. Machine tools on the structure change, lathe bed also increased, especially for processing dimensional requirements corresponding increase
This equipment mainly for the large-diameter circle in the round parts on the specified location and milling on the plane or milling drilling, the main control system uses the Siemens SINUMERIC 802C base line controlled by the PLC signal on the line as a guide , Using grating feedback device as a signal.
In the design process, is powered by an easy control of the stepper motor, control methods for closed-loop control, sensors using high precision, use the more common types of foot grating feedback as a closed-loop control components. Machinery implementing agencies to complete the structure of a ball screw machine horizontal, vertical movement, machine-oriented organizations to adopt Ball Guides and sliding rails completion of a combination of horizontal and vertical orientation.
NC machine tools is a new type of automated machine tools, it has a wide range of generic and a high degree of automation. CNC machine tools to achieve flexible automation equipment important is the development of flexible production base. NC machine tool parts in the processing, it can show the superiority
Keywords Large-diameter circular parts；closed- loop control；
step-by-step the electrical machinery
目 錄
1 概 述 1
1.1緒論 1
1.2 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和趨勢(shì) 2
1.2.1國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展水平 2
1.2.2.數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及水平 3
1.3系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 6
1.4系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)計(jì) 6
2 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算 7
2.1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 7
2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 7
2.2.1豎向運(yùn)動(dòng)裝置 7
2.2.2橫向運(yùn)動(dòng)裝置 8
2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算 8
2.3.1 縱向運(yùn)動(dòng)裝置 8
2.3.2 橫向運(yùn)動(dòng)裝置 10
2.3.3 伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)、校驗(yàn) 13
2.3.4 傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)與校驗(yàn) 17
3 電控部分設(shè)計(jì) 20
3.1 SINUMERIK 802C base line的系統(tǒng)介紹 20
3.2系統(tǒng)的電氣組成原理示意圖 21
3.3可編程序控制器(PLC)及其應(yīng)用 21
3.4系統(tǒng)的主電路原理圖 22
3.5系統(tǒng)的I/O電路原理圖 22
3.6控制系統(tǒng) 25
3.7電柜設(shè)計(jì) 26
3.8系統(tǒng)的電源電路原理圖 27
3.8.1控制變壓器 27
3.8.2 I/O系統(tǒng)電源及輔助控制電路 28
3.9 光柵尺的基本原理 28
3.10運(yùn)行程序 30
結(jié) 論 47
設(shè)計(jì)體會(huì) 48
致 謝 49
參考文獻(xiàn) 50
49
1 概 述
1.1緒論
從20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價(jià)格昂貴不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件、要求精密復(fù)制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗(yàn)的零件。數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍使其成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。
目前，在國(guó)內(nèi)的數(shù)控機(jī)床中, 大都是加工直徑比較小的領(lǐng)部件，而那些大直徑的零部件都很難加工，本設(shè)計(jì)正是為了解決這一問(wèn)題，能夠?qū)Υ笾睆綀A形零部件在圓周上進(jìn)行銑削和在規(guī)定位置上銑平面或鉆孔，全部過(guò)程為數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過(guò)流水線上的PLC信號(hào)引導(dǎo)，利用光柵尺作為反饋信號(hào)。
數(shù)控機(jī)床是新型的自動(dòng)化機(jī)床，它具有廣泛通用性和很高的自動(dòng)化程度。數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化重要的裝置，是發(fā)展柔性生產(chǎn)的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)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(guò)程中必須進(jìn)行多種加工的零件；切削余量大的零件；必須控制公差（即公差帶范圍小）的零件；工藝設(shè)計(jì)會(huì)變化的零件；加工過(guò)程中的錯(cuò)誤會(huì)造成嚴(yán)重浪費(fèi)的貴重零件；需全部檢測(cè)的零件，等等。度。數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)：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(shí)現(xiàn)一機(jī)多用；提高經(jīng)濟(jì)效益；不需要專(zhuān)用夾具；大大地減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
數(shù)控機(jī)床是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM），群控（DNC）,柔性制造系統(tǒng)（FMS）。計(jì)算機(jī)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)。數(shù)控機(jī)床是具有廣泛的通用性而又具有很高自動(dòng)化程度的全新型機(jī)床。它的控制系統(tǒng)不僅能控制機(jī)床各種動(dòng)作的先后順序，還能控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度，以及刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡。
數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。這個(gè)基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國(guó)力，關(guān)系到一個(gè)國(guó)家的戰(zhàn)略地位。因此，世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家均采取重大措施來(lái)發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。
1.2 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和趨勢(shì)
1.2.1 國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展水平
我國(guó)從1958年開(kāi)始研究數(shù)控技術(shù)，一直到60年代中期處于研制、開(kāi)發(fā)時(shí)期。當(dāng)時(shí)，一些高等院校、科研單位研制出試驗(yàn)性樣機(jī)，開(kāi)始也是從電子管著手的。
1965年，國(guó)內(nèi)開(kāi)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(jī)、CJK-18晶體管數(shù)控系統(tǒng)及X53K-1G立式銑床。
從70年代開(kāi)始，數(shù)控技術(shù)在車(chē)、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開(kāi)，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(shí)期，數(shù)控線切割機(jī)床由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，在磨具加工中得到了推廣。
80年代，我國(guó)從日本發(fā)那科（FANUC）公司引進(jìn)了5，7，3等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電機(jī)，直流主軸電機(jī)技術(shù)，以及從美國(guó)、德國(guó)等國(guó)引進(jìn)了一些新技術(shù)。并進(jìn)行了商品化生產(chǎn)，這些系統(tǒng)可靠性高，功能齊全。推動(dòng)了我國(guó)數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定的發(fā)展，使我國(guó)的數(shù)控機(jī)床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。
1985年，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的品種有了新的發(fā)展。數(shù)控機(jī)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(jī)床、重型數(shù)控機(jī)床都相繼研制出來(lái)。為了跟蹤國(guó)外技術(shù)的發(fā)展，北京機(jī)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(gè)時(shí)期，我國(guó)在引進(jìn)、消化國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量開(kāi)發(fā)工作。一些較高檔次的數(shù)控系統(tǒng)（五軸聯(lián)動(dòng)）、分辨率為0.02μm的高精度數(shù)控系統(tǒng)都開(kāi)發(fā)出來(lái)了。并造出樣機(jī)。
現(xiàn)在，我國(guó)已經(jīng)建立了以中、低檔數(shù)控機(jī)床為主的產(chǎn)業(yè)體系。90年代將向高檔數(shù)控機(jī)床發(fā)展。
我國(guó)近幾年數(shù)控機(jī)床雖然發(fā)展較快，但與國(guó)際先進(jìn)水平還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：可靠性差，外觀質(zhì)量差，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，應(yīng)變能力差。為了縮小與世界先進(jìn)水平的差距，有關(guān)專(zhuān)家建議機(jī)床企業(yè)應(yīng)在以下6個(gè)方面著力研究：
1．加大力度實(shí)施質(zhì)量工程，提高數(shù)控機(jī)床的無(wú)故障率。
2．跟蹤國(guó)際水平，使數(shù)控機(jī)床向高效高精方面發(fā)展。
3．加大成套設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力上求突破。
4．發(fā)揮服務(wù)優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大市場(chǎng)占有率。
5．多品種制造，滿足不同層次的用戶。
6．模塊化設(shè)計(jì)，縮短 開(kāi)發(fā)周期，快速響應(yīng)市場(chǎng)。
數(shù)控機(jī)床使用范圍越來(lái)越大，國(guó)內(nèi)國(guó)際市場(chǎng)容量也越來(lái)越大，但競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)加劇，我們只有緊跟先進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的大方向，并不斷創(chuàng)新，才能趕超世界先進(jìn)水平。
1.2.2. 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及水平
隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展也越來(lái)越快，數(shù)控機(jī)床也正朝著高性能、高精度、高速度、高柔性化和模塊化方向發(fā)展。 高性能：隨著數(shù)控系統(tǒng)集成度的增強(qiáng)，數(shù)控機(jī)床也實(shí)現(xiàn)多臺(tái)集中控制，甚至遠(yuǎn)距離遙控。高精度：數(shù)控機(jī)床本身的精度和加工件的精度越來(lái)越高，而精度的保持性要好。高速度：數(shù)控機(jī)床各軸運(yùn)行的速度將大大加快。高柔性：數(shù)控機(jī)床的柔性化將向自動(dòng)化程度更高的方向發(fā)展，將管理、物流及各相應(yīng)輔機(jī)集成柔性制造系統(tǒng)。模塊化：數(shù)控機(jī)床要縮短周期和降低成本，就必然向模塊化方向發(fā)展，這既有利于制造商又有利于客戶。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)的進(jìn)步，以及社會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量品種多樣化的要求越來(lái)越強(qiáng)烈。中、小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，要求現(xiàn)代數(shù)控機(jī)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(shí)，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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）提供基礎(chǔ)設(shè)備，也要求數(shù)控機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)控技術(shù)體現(xiàn)在數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、程序編制、機(jī)床主機(jī)和檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)等方面：
（一）數(shù)控裝置
推動(dòng)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(dāng)今占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展非?？?，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(guò)渡到16位和32位CPU，頻率有原來(lái)的5MHz,提高到16MHz,20MHz和32MHz,并且開(kāi)始采用精簡(jiǎn)指令集運(yùn)算芯片RISC作為主CPU，進(jìn)一步提高了運(yùn)算速度。采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路和多個(gè)微處理器，使結(jié)構(gòu)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，使其數(shù)控功能根據(jù)用戶需要進(jìn)行任意組合和擴(kuò)展。
2.具有強(qiáng)功能的內(nèi)裝式機(jī)床可編程控制器，用梯形圖語(yǔ)言，C語(yǔ)言或Pascal語(yǔ)言進(jìn)行編程。在CNC和PC之間有高速窗口，它們有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。除能完成開(kāi)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。可以實(shí)現(xiàn)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通訊，也可以直接對(duì)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。
現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床，為了適應(yīng)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，適應(yīng)工廠自動(dòng)化規(guī)模越來(lái)越大的要求，紛紛采用MAP等高級(jí)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同廠家和不同類(lèi)型機(jī)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(jī)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(lái)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(dòng)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(zhuān)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(shí)現(xiàn)了三維高密度安裝工藝。元器件經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選，建立由設(shè)計(jì)、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(wú)故障時(shí)間MTBF=10000-36000小時(shí)。
（二）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)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(dòng)態(tài)特性直接影響機(jī)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(jī)的位置、速度及電流環(huán)都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。并采用了新的控制理論，實(shí)現(xiàn)了不受機(jī)械負(fù)荷變動(dòng)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(guò)去的伺服系統(tǒng)，是把檢測(cè)器信號(hào)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(shí)精度惡化。所謂前饋控制就是在遠(yuǎn)來(lái)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(jī)械靜止摩擦的非線性控制技術(shù)。對(duì)于一些具有較大精致摩擦的數(shù)控機(jī)床，新型的數(shù)字伺服系統(tǒng)具有補(bǔ)償機(jī)床驅(qū)動(dòng)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(lèi)型的機(jī)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(cè)裝置。如高分辨率的脈沖編碼器，內(nèi)有微處理器組成的細(xì)分電路，使得分辨率大大提高。增量位置檢測(cè)為10000P/r;絕對(duì)位置檢測(cè)為1000000P/r
5.補(bǔ)償技術(shù)得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床利用CNC數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償功能，對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了多種補(bǔ)償，有軸向運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償、齒輪間隙補(bǔ)償、熱補(bǔ)償和空間誤差補(bǔ)償。
（三）程序編制
數(shù)控機(jī)床的零件程序編制是實(shí)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(diǎn)：
1.脫機(jī)編程發(fā)展到在線編程。傳統(tǒng)的編程是脫機(jī)進(jìn)行的。由手工、電子計(jì)算機(jī)以及專(zhuān)用編程機(jī)來(lái)完成，然后再輸入給數(shù)控裝置?，F(xiàn)代的CNC裝置有很強(qiáng)的存儲(chǔ)和運(yùn)算能力，把很多自動(dòng)編輯機(jī)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(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話。在手工操作鍵和彩色顯示器配合下，實(shí)現(xiàn)程序輸入、編輯、修改、刪除。數(shù)控系統(tǒng)具有了前臺(tái)操作、后臺(tái)編輯的前后臺(tái)功能。
2.具有機(jī)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(jì)功能、會(huì)話式自動(dòng)編程、藍(lán)圖編程和實(shí)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(shí)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(kù)，使得在線程序編制過(guò)程中，可以自動(dòng)選擇最佳刀具和切削用量。
（四）機(jī)床主機(jī)
數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)適應(yīng)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用機(jī)電一體化的總體布局。為提高生產(chǎn)率，一般都采用自動(dòng)換刀裝置，自動(dòng)更換工件機(jī)構(gòu)、“數(shù)控夾盤(pán)”和“數(shù)控夾具”等。為了提高數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，伺服系統(tǒng)和機(jī)床主機(jī)進(jìn)行了很好的機(jī)電匹配。同時(shí)，主機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
（五）數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)和監(jiān)督
數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)督越來(lái)越普通，裝有各種類(lèi)型的監(jiān)控、檢測(cè)裝置。例如紅外、聲反射（AE）。激光檢測(cè)裝置，對(duì)刀具和工件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。發(fā)現(xiàn)工件超差、刀具磨損、破損，都能及時(shí)報(bào)警，并給予補(bǔ)償，或?qū)Φ毒哌M(jìn)行調(diào)換，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。
現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床都具有很好的故障自診斷功能及保護(hù)功能。軟件限位和自動(dòng)返回功能避免了加工過(guò)程中出現(xiàn)的特殊情況而造成工件報(bào)廢和事故。
（六）適應(yīng)控制（Adaptive control）
數(shù)控機(jī)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(gè)重要方向。適應(yīng)控制機(jī)床是一種能隨著加工過(guò)程中切削條件的變化，自動(dòng)地調(diào)整切削用量，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程最佳化的自動(dòng)控制機(jī)床。數(shù)控機(jī)床的適應(yīng)控制功能由檢測(cè)單一或少數(shù)參數(shù)（如功率、扭矩或力等）進(jìn)行調(diào)整的“約束適應(yīng)控制”，發(fā)展到檢測(cè)調(diào)控多參數(shù)的“最佳適應(yīng)控制”和“學(xué)習(xí)控制”。
1.3系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中,動(dòng)力裝置采用了易于控制的伺服電機(jī),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SINUMERIC 802C base line控制,由流水線上的PLC信號(hào)作為引導(dǎo)。機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)完成機(jī)床的橫、豎向運(yùn)動(dòng)。機(jī)械導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用滾珠導(dǎo)軌與滑動(dòng)導(dǎo)軌相結(jié)合的方式完成橫、豎向?qū)颉?
1.4 系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)計(jì)
1. 執(zhí)行元件的選擇：選擇時(shí)應(yīng)考慮負(fù)載能力、調(diào)速范圍、運(yùn)行精度等多方面要求，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用最為廣泛，一般情況下，優(yōu)先選用。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)控制簡(jiǎn)單，而且本次設(shè)計(jì)要求的速度不高，所以步進(jìn)電機(jī)最為適合。
2. 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的選擇：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的一個(gè)機(jī)械接口，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)和力進(jìn)行變換和傳遞。 豎直傳動(dòng)機(jī)構(gòu) ：通過(guò)滾珠絲杠與普通絲杠進(jìn)行比較,綜合考慮進(jìn)給部分功能及精度要求,本次設(shè)計(jì)選擇了滾珠絲杠。橫向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：通過(guò)水平的滾珠絲杠傳遞扭矩，完成工作臺(tái)上夾持器的橫向運(yùn)動(dòng)。
3．導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選擇：導(dǎo)向機(jī)構(gòu)即導(dǎo)軌，主要有滑動(dòng)和滾動(dòng)兩大類(lèi)?；瑒?dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)軌。而滾珠導(dǎo)軌精度高，導(dǎo)向性好，摩擦因數(shù)小，啟動(dòng)輕便，運(yùn)動(dòng)靈敏。不易爬行，壽命長(zhǎng)，適用于水平導(dǎo)向及精度較高場(chǎng)合，所以本次設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，精度高，控制容易，易于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度的測(cè)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(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算
2.1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 其作用是支撐和導(dǎo)向，為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)裝置能到安全、準(zhǔn)確的完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)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(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便個(gè)，剛度好，抗震性高。滾動(dòng)導(dǎo)軌的導(dǎo)向面之間放置滾珠，滾珠或滾針等滾動(dòng)體來(lái)實(shí)現(xiàn)兩導(dǎo)軌無(wú)滑動(dòng)地相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這種導(dǎo)軌摩損小，壽命大，定位精度高，靈敏度好，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，但對(duì)幾何精度要求高，抗振性較差，防護(hù)要求高，本次設(shè)計(jì)采用了滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠導(dǎo)軌相結(jié)合的方式，因?yàn)榛瑒?dòng)導(dǎo)軌是機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)用廣，滾珠導(dǎo)軌傳動(dòng)精度高。
2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.2.1豎向運(yùn)動(dòng)裝置
圖2-1 縱向裝置傳動(dòng)圖
豎向運(yùn)動(dòng)裝置的工作過(guò)程如下：
步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器，由齒輪把扭矩傳遞給豎直方向的滾珠絲杠，帶動(dòng)升降臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)。由于滾珠絲杠無(wú)自鎖，故采用電磁制動(dòng)器，當(dāng)需要停止是，由電子開(kāi)關(guān)控制步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，同時(shí)起動(dòng)電磁制動(dòng)器，對(duì)滾珠絲杠自鎖，防止?jié)L珠絲杠自動(dòng)下滑，達(dá)到精確定位。
2.2.2橫向運(yùn)動(dòng)裝置
具體傳動(dòng)過(guò)程如下：伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)矩遞給滾珠絲杠，讓絲杠帶動(dòng)刀頭運(yùn)動(dòng)，從而完成進(jìn)給的過(guò)程。
圖2-2 橫向裝置傳動(dòng)圖
2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算
2.3.1縱向運(yùn)動(dòng)裝置
1．滾珠絲杠副的選擇
已知：工作載荷Fm=2600N，絲杠的工作長(zhǎng)度為0.566m，平均轉(zhuǎn)速1600r/min，最大轉(zhuǎn)速2100r/min。
2.計(jì)算載荷Fc
= 因?yàn)榫鹊燃?jí)為D級(jí)所以K=1.0
＝
根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]選?。海?1.2，K=1.0，Ｋ＝1.0
Fc==3120N
3．額定動(dòng)載荷
C＝F ＝3120＝38432.5N
計(jì)算的額定動(dòng)載荷為38432.5N＜40895N
故選擇FC1—8010－2.5型號(hào)滾珠絲杠，其主要數(shù)據(jù)如下：Ca＝40895Ｎ
公稱(chēng)直徑：
D=80mm
導(dǎo) 程：
P＝10 mm
螺旋角：
＝
滾珠直徑：
d＝5.953mm
滾道半徑：
R＝＝0.525.953＝3.1mm
偏心距：
＝=
絲杠內(nèi)徑：
d＝D＋e－2R
＝80＋0.308－23.1＝74.108mm
4．穩(wěn)定性驗(yàn)算
（1）由于一端軸固定的絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)車(chē)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)，其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)允許安全系數(shù)[S]。
計(jì)算臨界載荷Fcr
Fcr＝ 彈性模量E＝2.0610Pa
＝＝
根據(jù)參考文獻(xiàn)[3] 取＝2/3
Fcr＝= 376729.54N
安全系數(shù)：S＝Fcr / Fm
＝376729.54/2800 =289.2
根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，可知安全系數(shù)[S]＝2.2～3.3 S >即絲杠安全,不會(huì)失穩(wěn)。
（2）絲杠需要驗(yàn)算其不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速n， 要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速
ｎ。 ｎ＝9910
根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]選?。?3.927，μ=2/3
ｎ＝9910 =133782 r/min
ｎn＝2100ｒ/min。所以絲杠不會(huì)發(fā)生共振。
（3）要求滾珠絲杠副Dn70000 mmr/min
Dｎ＝401600＝64000 mmr/min〈70000 mmr/min
所以該絲杠副工作穩(wěn)定。
5．剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠在工作負(fù)載下F（N）和T（Nm）公同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形為：
在本次設(shè)計(jì)中 取摩擦系數(shù)為tan，即
所以 T＝1300＝1.72N·ｍ
=
=4.324μm
則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為
=
=2.624μm
要求
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(yàn)算
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為
=tan（3/tan（3）=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(yùn)動(dòng)裝置
1．導(dǎo)軌型號(hào)的選擇
滑座上的載荷為F=2600N， Ls=6/m，每分鐘往復(fù)次數(shù)2，工作時(shí)間Lh=12000h
F=F/M=2600/4=650N
Ts=2L Ls n/103
=2120006460/1000
=34560km
計(jì)算動(dòng)載荷C
C=F =650 = 6789.6 N
根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，查表2-15～2-18
f=1.0，f=1.0，f=2.0 ，f=0.8
K為壽命系數(shù)，一般取K=50㎞
因?yàn)?789.6N<17500N,所以選擇HJG－D55型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。
2．滾珠絲杠副的選擇計(jì)算
(1)．已知：平均工作載荷Fm=650N，絲杠工作長(zhǎng)度L=0.8m。平均轉(zhuǎn)速n=1600r/min，最大轉(zhuǎn)速n=2600r/min，使用壽命Lh＝12000h左右，材料為鋼，滾道硬度為60HRC，傳動(dòng)精度mm,求計(jì)算載荷F。
F＝Ｋ
查表2-6 取 K=1.2，查表2-7 取 K=1，
因?yàn)榫鹊燃?jí)為D級(jí)，因此K＝1.0
所以 Fc＝0.81.01.0650
＝520N
(2)．計(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)算值Ca
C＝F
＝520
＝5224.54N
額定動(dòng)載荷5224.54N＜5982N故
根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，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
螺 旋 角：
＝
滾珠直徑：
d＝5.381ｍｍ
滾道半徑：
R＝0.52=0.522.381=1.238mm
偏 心 距：
ｅ=0.07（R－d/2）
＝0.07 (1.238－5.381/2）=3.29mm
絲杠內(nèi)徑：
d＝D＋e－2R=22.54mm
公稱(chēng)直徑
D=40mm
(3)．穩(wěn)定性驗(yàn)算
由于一端軸固定的絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)車(chē)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)，其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)允許安全系數(shù)[S]
計(jì)算臨界載荷Fcr
Fcr＝
剛彈性模量E＝2.0610Pa
根據(jù)已知條件：＝d/64=3.14/64=1.26
根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，選取μ＝2/3
Fcr＝= 89970.40N
安全系數(shù)： S＝Fcr / Fm= 89970.40/650=138.416
查表2－10知[S]＝2.2～3.3 S 即絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。
(4)．絲杠在高速工作時(shí)可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速
ｎ＝9910
根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]取f＝3.927，μ＝2/3
ｎ＝9910=121084r/min
ｎn＝2600ｒ/min。所以絲杠不會(huì)發(fā)生共振。
(5)． 滾珠絲杠要求Dn70000 mmr/min
Dｎ＝251600＝40000 mmr/min〈70000 mmr/min
所以該絲杠副工作穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。
(6)． 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠導(dǎo)程變形量： Ｔ＝Ftan（ ）
在本次設(shè)計(jì)中 取摩擦系數(shù)為tan，即
T＝650+0.1432）=0.56N·m
= +
=
=5.345 um
因此絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為
=0.8/4=10.68m
要求
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(yàn)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(jī)的設(shè)計(jì)、校驗(yàn)
１．伺服電機(jī)的選擇
取脈沖當(dāng)量為：=0.005mm
滾珠絲杠的導(dǎo)程：P＝4 mm
初設(shè)傳動(dòng)比為：i=2
則 =360 =0.9
因?yàn)?0.9〈1.5故選用Y180L-4型號(hào)伺服電機(jī)
2．伺服電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩T＝2.2Nm，＝1.5， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
Ｊｍ＝46.1
（1） 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(zhǎng)度
L＝6000mm
絲杠最小拉壓長(zhǎng)度
Lmin=60mm
最大拉壓長(zhǎng)度
Lmax=380mm
絲杠支撐向剛度
K= 1.96
絲杠螺母間的接觸剛度
K= 1.02
系統(tǒng)脈沖當(dāng)量
=0.005mm
空載啟動(dòng)時(shí)間
=40ms
最大進(jìn)給速度
Vmax=2m/min
定位精度
0.01mm
（2）傳動(dòng)比計(jì)算
i =
=0.6
=2
（3）當(dāng)量負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
J=
J = =2.58kg·m
J= =3.42kg·m
= =3.26kg·m
Ｊ= J+1/( J+)+(m
=4.158kg·m
（4）慣量匹配驗(yàn)算
==0.9
因?yàn)闈M足1/4要求，說(shuō)明慣量匹配合理。
（5）負(fù)載能力校驗(yàn)
J=Jm+Jd =4.61+4.158 =8.768kg·m
空載啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)軸上的慣量轉(zhuǎn)矩：
Tj=J=J
=8.768 =1.84Nm
電機(jī)軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩：
Tu= = =0.158Nm
其中電機(jī)傳動(dòng)鏈的總效率為
=0.98
設(shè)滾珠絲杠螺母副的預(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(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩為：
T0= =
=
=0.036Nm
刀頭上的最大軸向載荷折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為
Tw= = =0.9Nm
于是空載啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)軸上的總負(fù)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(shí)，電機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：
T=Tw+Tu+To =0.9+0.158+0.036=1.961Nm
空載啟動(dòng)所需電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：T= Tq/0.951 =2.138Nm
在最大外載荷下工作時(shí)所需電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：
T= T/（0.3—0.5）=5.93—3.56Nm
因?yàn)? Ts=5.0Nm T=2.138Nm，所以，伺服電機(jī)能運(yùn)轉(zhuǎn)。
（6）系統(tǒng)剛度計(jì)算
絲杠最大，最小拉壓剛度為：K===2.35N/m
K===3.96 N/m
假設(shè)絲杠軸向支撐經(jīng)過(guò)預(yù)緊并忽略軸承座和螺母座剛度的影響，求絲杠螺母機(jī)構(gòu)的綜合拉壓剛度：
==6.23N/m
所以K=1.6
=
=2.55+4.39+9.8
K=2.5N/m
（7）固有頻率計(jì)算
絲杠質(zhì)量為：m=1/4
=1/4
=4.05kg
刀頭共振系統(tǒng)的最低固有頻率為
== 1764r/s
折算到絲杠軸上系統(tǒng)的總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
J=J=8.657=3.46kg.m
如果忽略電機(jī)軸及減速器的扭轉(zhuǎn)變形，系統(tǒng)的最低扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有頻率為：
= = 2011rad/s
都很高,說(shuō)明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好。
（8）死區(qū)誤差計(jì)算 設(shè)齒輪傳動(dòng)和絲杠螺母機(jī)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：
=1.36mm
<
說(shuō)明該系統(tǒng)能滿足單脈沖進(jìn)給的要求。
（9）由系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差計(jì)算
=F
=50）=0.0021mm
由于定位精度為
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(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)與校驗(yàn)
已知：輸入電機(jī)轉(zhuǎn)矩T1=5.0Nm，大齒輪轉(zhuǎn)速n=620r/min，齒數(shù)比u=4，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作壽命15年，兩班制，工作平穩(wěn)，雙向傳動(dòng)。
1．選定齒輪類(lèi)型，精度等級(jí)，材料及齒數(shù)。
選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
由參考文獻(xiàn)選取大小齒輪的材料均為45#，齒面硬度為162--217HBS。
（1）選取精度等級(jí)為7級(jí).
（2）選小齒輪齒數(shù)Z=20，Z=uZ=80
2．齒面接觸強(qiáng)度
(1)選載荷系數(shù)K=1.3
(2)由參考文獻(xiàn)查得材料的彈性影響系數(shù)Z=143.7MPa
(3)由參考文獻(xiàn)選取齒寬系數(shù)
(4)由參考文獻(xiàn)查得大小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=320MPa
(5)進(jìn)行應(yīng)力循環(huán)次數(shù)計(jì)算
N1=60 =60 =4.32
N2= N1/i= 8.64 =2.16
(6)由參考文獻(xiàn)查得接觸疲勞壽命系數(shù) K=0.88，K=0.90
(7)接觸疲勞許用應(yīng)力的計(jì)算 假設(shè)失效概率為0.01, 取安全系數(shù)s=1
= =0.88=281.6MPa
=K/S=0.9 =288.0MPa
3．計(jì)算尺寸
(1)小齒輪分度圓直徑d2.32
49.86mm
(2)齒輪的圓周速度為:
V ==3.14=2.61m/s
(3)尺寬數(shù)值為:
B==0.4=19.8mm
(4)齒輪模數(shù)和齒高
模數(shù)m=d/z=49.86/25=1.99mm
齒高h(yuǎn) =2.25mt=2.251.99=4.378mm
(5)計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)V=2.61/m/s，7級(jí)精度，所以根據(jù)參考文獻(xiàn),查得動(dòng)載荷系數(shù)為Kv=1，因?yàn)樗x齒輪為直齒輪，初選 KFt/b100Nm，由參考文獻(xiàn),查得 K=K=1.1 由參考文獻(xiàn), 查得使用系數(shù)K=1;K=1.6;K=1.64
K=KK =1 =1.75
(6)對(duì)分度圓直徑進(jìn)行校正 d = d =49.8 =61.43mm
(7)模數(shù)尺寸m=d/z= 61.43/25 =2.457mm
初選各傳動(dòng)齒輪齒數(shù) Z=20 Z =40
m=2.5mm B=35mm B=20mm
4．按齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算設(shè)計(jì)
(1)由參考文獻(xiàn)查得大小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=60MPa
彎曲疲勞壽命系數(shù) K= 0.89，K=0.90
初選疲勞安全系數(shù) S=1.4
=K/S=38.2MPa
=K/S=38.5MP
(2)計(jì)算載荷系數(shù)K=K = 1 = 1.804
(3)由參考文獻(xiàn), 取Y=2.8，Y =2.40
(4)計(jì)算應(yīng)力,校正各項(xiàng)系數(shù)
由參考文獻(xiàn),取 Y=1.55，Y=1.67
(5)計(jì)算大小齒輪的YY/
=2.8
=2.4=0.104
根據(jù)計(jì)算進(jìn)行比較,小齒輪的數(shù)值大。
(6)計(jì)算模數(shù)：
m=2.34mm2.5mm
故取m=2.5mm
d=61.43m Z=d/m =61.43/2.5 =24.5
取Z=25 Z=uZ=225 =50
5．幾何尺寸的計(jì)算
(1)確定齒輪中心距的大小 a =（d+d/2）=（62.5+125/2）=93.75mm
(2)齒輪分度圓直徑的大小:
d=m =2.525=62.5mm
d=m= 2.550=125mm
(3)齒輪寬度的大小為:
B==0.462.5=25mm
取B1=25mm，B2=37mm
3 電氣部分設(shè)計(jì)
3.1 SINUMERIK 802C base line的系統(tǒng)介紹
SINUMERIK 802C base line 是專(zhuān)門(mén)為中國(guó)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)而開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)型 CNC 控制系統(tǒng)。SINUMERIK 802C base line是在SINUMERIK 802C基礎(chǔ)上新開(kāi)發(fā)的全功能數(shù)控系統(tǒng)。它可以控制2~3個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給軸和一個(gè)伺服主軸或變頻主軸。連接SIMODRIVE 611U或SIMODRIVE base line。當(dāng)系統(tǒng)匹配SIMODRIVE 611U或SIMODRIVE base line時(shí)，連接1FK7系列伺服電機(jī)。
SINUMERIK 802C base line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(pán)、機(jī)床操作界面。機(jī)床調(diào)試配置數(shù)據(jù)少，系統(tǒng)與機(jī)床匹配更快速、更容易。
· 驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)
伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)SIMODRIVE 611U或者SIMODRIVE base line帶1FK7系列伺服電機(jī)。目前SIMODRIVE base line帶1FK7的配置有3種：3Nm+6Nm;6Nm+8Nm;11Nm,光軸，帶/不帶抱閘；使用SIMODRIVE base line與1FK7的配置為：3Nm/6Nm/8Nm/11Nm,光軸，帶/不帶抱閘。
· 電纜
連接CNC控制器到驅(qū)動(dòng)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(dòng)器到電機(jī)的電纜為編碼器電纜和電機(jī)動(dòng)力電纜。
圖3-1 SINUMERIK 802C base line接口布置
3.2 系統(tǒng)的電氣部分原理示意圖
圖3-2 電氣原理示意圖
3.3 可編程序控制器(PLC)及其應(yīng)用
可編程序控制器(PLC)是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。是微機(jī)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(lái)發(fā)展最迅速應(yīng)用最廣泛的工業(yè)自動(dòng)控制裝置之一。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。它以其可靠性高、邏輯功能強(qiáng)、體積小、可在線修改控制程序、具有遠(yuǎn)程通信聯(lián)網(wǎng)功能、易于與計(jì)算機(jī)接口、能對(duì)模擬量進(jìn)行控制、具備高速計(jì)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(shí)間繼電器、計(jì)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(jī)械、化工、電力、輕工等工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，并且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，盡管各國(guó)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(chǔ)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(dòng)機(jī)1M,功率為22KW,由SIMODRIVE 611U控制其轉(zhuǎn)向,由接觸器1KM控制起停。2M為絲杠電機(jī),功率為22KW,由2KM1、2KM2控制其正、反轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)刀頭左右方向運(yùn)動(dòng)。
3.5系統(tǒng)的I/O電路原理圖
輸入
圖3-4 I/O輸入原理圖（1）
圖3-5 I/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(jì)
機(jī)床廠在設(shè)計(jì)電柜時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng):
(1)電柜應(yīng)有冷卻或通風(fēng)裝置，在使用風(fēng)扇時(shí)必須在進(jìn)氣窗口安裝防塵過(guò)濾網(wǎng)；
(2)電柜中所有部件必須安裝在無(wú)油漆的鍍鋅金屬板上。
(3)電柜的防護(hù)等級(jí)為IP54。
(4)接地應(yīng)遵守國(guó)標(biāo)GB/T5226.1-2002/IEC60204-1:2000“機(jī)械安全機(jī)械電氣設(shè)備第三者部分；通用技術(shù)條件。
(5)現(xiàn)聲沒(méi)有良好接地的情況下，應(yīng)斷開(kāi)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(dāng)CNC控制器牌浮地狀態(tài)時(shí)，如果使用RS232接口，必須采用RS232隔離器（訂貨號(hào)：6FX2003-0DS00),否則會(huì)燒壞接口。
(7)電柜中布線時(shí)，交流電源線（如85VAC,220VAC,380VAC,變頻器到主軸電機(jī)的電纜）必須與24VDC電纜和信號(hào)線電纜分開(kāi)走線。
(8)如果機(jī)床使用變頻器作為主軸驅(qū)動(dòng)單元，在設(shè)計(jì)電柜時(shí)應(yīng)考慮采取必要的搞干擾措施（主要是電源干擾和無(wú)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(jìn)驅(qū)動(dòng)85VAC必須采用獨(dú)力的隔離變壓器（驅(qū)動(dòng)變壓器380VAC->85VAC,JBK3系列）。兩個(gè)變壓器的初級(jí)不可以接入到380VAC的同一相。
(10)現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有良好接地的情況下，控制變壓器必須為浮地設(shè)計(jì)，但此時(shí)任何與CNC控制器連接的外設(shè)（如PC/PG),其220VAC電源必須連接到控制變壓器。
3.8系統(tǒng)的電源電路原理圖
3.8.1控制變壓器
控制變壓器和普通變壓器原理沒(méi)有區(qū)別，只是用途不同.
控制變壓器:用途廣泛,可做升壓,亦可做降壓用。
變壓器的工作原理是用電磁感應(yīng)原理工作的。變壓器有兩組線圈，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，次級(jí)線圈在初級(jí)線圈外邊。當(dāng)初級(jí)線圈通上交流電時(shí)，變壓器鐵芯產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，次級(jí)線圈就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。變壓器的線圈的匝數(shù)比等于電壓比。例如：初級(jí)線圈是500匝，次級(jí)線圈是250匝，初級(jí)通上220V交流電，次級(jí)電壓就是110V。變壓器能降壓也能升壓
電柜中必須采用獨(dú)立的控制變壓器，給系統(tǒng)的24VDC供電?？刂谱儔浩鹘泳€如圖所示。
圖3-7 變壓器接線圖
(1)U,V,W三相中未被驅(qū)動(dòng)變壓器使用的兩相；
(2)只有PE接地良好時(shí)才能連接。如果不能確定，則禁止連接；
(3)接地線截面積最少為6mm,以確保接地良好。
3.8.2 I/O系統(tǒng)電源及輔助控制電路
圖3-8 I/O系統(tǒng)電源及輔助控制電路
3.9 光柵尺的基本原理
在玻璃尺或玻璃盤(pán)上類(lèi)似于刻線標(biāo)尺或度盤(pán)那樣，進(jìn)行長(zhǎng)刻線（一般8-10mm）的密集刻劃，得到如圖所示的黑白相間間隔細(xì)小條紋，就是光柵。
圖3-9 光柵柵線圖
光柵上柵線的寬度為a，線間寬度為b ，一般取a=b，而W=a+b，W稱(chēng)為光柵柵距。
圖3-10 光柵測(cè)量原理圖
兩塊柵距相等的光柵，刻線面相對(duì)（中間有很小間隙），且兩光柵柵線之間有很小夾角θ，將兩光柵放置在圖中所示的光路中，則在近似垂直于柵線方向上顯現(xiàn)出比柵距寬得多的明暗相間的條紋6，這就是莫爾條紋。相鄰兩莫爾條紋的間距為B=W/θ，當(dāng)兩光柵在柵線垂直方向相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋則在平行柵線方向移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋間距B，即光通量分布曲線7變化一個(gè)周期，如果圖b所示，光電元件5輸出出的電信號(hào)變化一個(gè)周期。圖a中3稱(chēng)為標(biāo)尺光柵，類(lèi)似刻線尺，也稱(chēng)主光柵 。4為指示光柵，只取一小塊。3，4稱(chēng)為光柵
3.10運(yùn)行程序
PLC_INI的控制程序:
MG_STOEP的控制程序:
AXIS_CTL的程序:
4 結(jié) 論
本設(shè)備主要用于對(duì)大直徑圓形零部件在圓周上進(jìn)行銑削和在規(guī)定位置上銑平面或鉆孔,其中動(dòng)力裝置采用了易于控制的步進(jìn)電機(jī),控制方式為閉環(huán)控制,傳感器采用精度較高，較為普遍的光柵尺作為閉環(huán)控制的反饋元件。它的主控系統(tǒng)采用Siemens的SINUMERIC 802C base line控制,由流水線上的PLC信號(hào)作為引導(dǎo),機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)完成機(jī)床的橫、豎向運(yùn)動(dòng)。機(jī)械導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用滾珠導(dǎo)軌與滑動(dòng)導(dǎo)軌相結(jié)合的方式完成橫、豎向?qū)颉?
數(shù)控機(jī)床是新型的自動(dòng)化機(jī)床，它具有廣泛通用性和很高的自動(dòng)化程度。數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化重要的裝置，是發(fā)展柔性生產(chǎn)的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床在零件的加工中，更能顯示出它的優(yōu)越性。
數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)：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(shí)現(xiàn)一機(jī)多用；提高經(jīng)濟(jì)效益；不需要專(zhuān)用夾具；大大地減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)。
5 設(shè)計(jì)體會(huì)
通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)我們即將畢業(yè)走向工作崗位的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，是對(duì)我們四年學(xué)習(xí)生涯的有效總結(jié)，也是對(duì)所學(xué)知識(shí)運(yùn)用能力的一次全面的考核。雖然這段時(shí)間里我們緊張而忙碌，但是對(duì)知識(shí)的渴望沒(méi)有阻擋我們前進(jìn)的步伐。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)有了充分的認(rèn)識(shí)，并對(duì)機(jī)械行業(yè)有了更多深的理解與認(rèn)識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將理論和實(shí)踐相互結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)機(jī)械專(zhuān)業(yè)的理解和認(rèn)識(shí)，同時(shí)，我在查閱資料的時(shí)候，看到了許多關(guān)于機(jī)械零件設(shè)計(jì)的新方法和心思路，并且對(duì)它們進(jìn)行了充分的運(yùn)用，不但解決了我在設(shè)計(jì)中遇到的困難，同時(shí)也開(kāi)拓了我的視野，提高了我獨(dú)自思考和解決問(wèn)題的能力，為將來(lái)所從事的工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來(lái)學(xué)的知識(shí)還比較欠缺，學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。
????在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中也使我與老師、同學(xué)間的關(guān)系更進(jìn)一步了，師生之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽(tīng)聽(tīng)不同的看法對(duì)我們更好的理解知識(shí)，所以在這里非常感謝幫助我的老師和同學(xué)。此外，還得出一個(gè)結(jié)論：知識(shí)必須通過(guò)應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值！有些東西以為學(xué)會(huì)了，但真正到用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會(huì)用的時(shí)候才是真的學(xué)會(huì)了。
????在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多機(jī)械方面的知識(shí)，也培養(yǎng)了我獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力，樹(shù)立了對(duì)自己的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)、工作、生活有非常重要的影響。并且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過(guò)程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做完了，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中所學(xué)到的東西是我最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。
致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們所學(xué)知識(shí)運(yùn)用能力的一次全面的考核，將理論知識(shí)和實(shí)踐知識(shí)相互結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，也是對(duì)我們進(jìn)行科學(xué)研究基本功的訓(xùn)練，培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立地分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為以后學(xué)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)。
本次設(shè)計(jì)能夠順利完成，首先我要感謝我的母校——長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，是她為我們提供了學(xué)習(xí)知識(shí)的土壤，使我們?cè)谶@里茁壯成長(zhǎng)；其次我要感謝我的導(dǎo)師——張煒老師，本次設(shè)計(jì)中給予了我大力的支持和幫助，每有問(wèn)題，張老師總是耐心的解答，使我能夠充滿熱情的投入到畢業(yè)設(shè)計(jì)中去；他治學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)，知識(shí)淵博，兢兢業(yè)業(yè)的工作作風(fēng)給我留下了深刻的印象，并且教會(huì)我們做人做事的道理。在此，我向他致以衷心的感謝；再次還要感謝機(jī)電教研室各位老師，他們熱心的幫助，使我感覺(jué)到了來(lái)自師生間的情誼；最后還要感謝相關(guān)資料的編著者和給予我支持的學(xué)校其他老師，感謝您們?yōu)槲覀兲峁┮粋€(gè)良好的環(huán)境，使本次設(shè)計(jì)圓滿完成。
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