毕业设计论文 ：转塔刀架；前后刀架; 进给系统：PLC

I 摘 要 本论文叙述了 CA6140 型车床的各主要部件及工作原理，结构及机床的进给 运动的传动装置。 CA6140 型车床的转塔刀架是其主要的工作刀架，主要的切削加工工作由它 担负，前后刀架为辅助刀架。本文介绍了转塔刀架的结构及其控制原理，同时也 介绍了机床主轴变速机构的机构及液压系统的情况。 结构设计部分着重论述了转塔刀架的纵向进给系统、转塔刀架自动转位的设 计及重要部位的设计及校核；电气控制部分则主要介绍了 PLC 在机床上的应用。 关键词： 转塔刀架；前后刀架; 进给系统：PLC Abstract This thesis was narrated the kinetic gearing of feed of each major component and work principle, structure and machine tool of lathe of CA6140-1s mould. The cupola tool carrier of lathe of CA6140-1s mould is his central work tool carrier, and central cutting processing work is born by it, and the tool carrier is the supplementary tool carrier from beginning to end. This text, article, etc. was introduced the structure of cupola tool carrier and is reached his and controls the principle, and also introduces the organization of machine tool principal axis speed change organization and the circumstances of hydraulic system at the same time. Vertial feed system the discussing the cupola tool carrier, design of automatic indexing of cupola tool carrier and the design of important position and school nuclear are partly stressed to the structural design; But the electric control part was chiefly introduced the application on the machine tool of PLC. The keyword: the turret tool post; The tool carrier from beginning to end; The feed system: PLC II 前 言 大学生活即将结束，在这美好的四年中我学到了各方面的知识。本次毕业设 计对我所学知识作了全面的考察，让我对机械设计制造及其自动化这个专业有了 全面的了解。 我设计的题目是 CA6140 型车床刀架的数控改造。此题目涉及的知识面很广， 是机械，电气，液压的综合运用。CA6140 型车床用于：形状比较简单的盘套类零 件的加工 且主要用于工件的粗加工和半精加工，适用于汽车，拖拉机，机床，通用机 械等成批及大量生产制造中。虽然此机床具有定的万能性，但它仅仅解决了大 批量生产用的机床自动化问题。为了适应中，小批量及每月有定重复批量的自 动化要求，必须对它进行数控改造。 在设计过程中，经李枫老师的精心指导下以及其他老师的大力帮助下，我顺 利完成厂本次的设计任务，编者在此致以衷心的感谢。 由于本人设计水平有限，加之设计时间仓促，在设计中肯定有很多，错误和 不足之处，恳切期待各位老师和同学的批评指正！ III 设计人：李伟明 二零零五年六月于大庆石油学院 目 录 摘 要I AbstractII 目 录.IV 第 1 章 设计任务的提出.1 第 2 章 机床的主要技术性能.2 2.1 CA6140 型机床的主要技术性能 2 2.2 改进后增加的技术参数2 2.3 CA6140 型车床的特点 3 第 3 章 结构设计方案.4 3.1 纵向进给的改装4 3.2 滚珠丝杠螺母副5 3.3 步进电机13 3.4 降速齿轮在进给系统中的应用18 3.5 回转刀架21 IV 第 4 章 电气控制设计.22 4.1 可编程控制器 PLC 的发展概况.22 4.2 可编程控制器(PLC)的特点24 4.3 可编程控制器 PLC 的功能。.25 4.4 可编程控制器的基本原理25 致 谢.29 参考文献.30 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 1 第 1 章 设计任务的提出 目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式的机床，若改为微机控制，实现 机电一体化的改造，会使机床适应中、小批量的生产加工。这样，不但提高加工 精度和生产率，减轻工人的劳动强度，而且成本低，适合我国国情，因而，我采 用了回转刀架的 PLC 数控改造。 CA6140 型车床适用于车削内外圆柱面，圆锥面及其它旋转面，车削各种公制、 英制、模数和径节螺纹，并能进行钻孔，铰孔和拉油槽等工作。为了使机床适应 不同批量的生产，我将其刀架进行数控改造。使其运行可靠，转动灵活，定位准 确。 设计前，我需要完全弄懂 CA6140 型刀架的结构组成及相关要求。采用与数控 相关的精密机械技术，完成此结构的设计。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 2 第 2 章 机床的主要技术性能 2.1 CA6140 型机床的主要技术性能 床身上最大回转直径 mm 400 刀架上回转直径 mm 210 二顶尖间距离 mm 1000 主轴通孔直径 mm 52；76；80 主轴头形式 A6；C8；D8 床身导轨宽度 mm 400 床身导轨硬度 RC 52 主轴转速范围 （24） r/min 10-1400 进给量范围（标准） mm/r 0.08-1.59 进给量范围（细进给） mm/r 0.028-0.054 进给量范围（加大进给） mm/r 1.71-6.33 加工公制螺纹范围（44 种） mm 1-192 加工英制螺纹范围（20 种） tpi 24-2 加工模数螺纹范围（39 种） mm 0.25-48 加工径节螺纹范围（37 种） DP 96-1 主电机功率 kW 7.5 2.2 改进后增加的技术参数 2.2.1 刀架纵向进给步进电机（110BF003） 相数 3 相 步矩角 0.75 电压 80V 空载运行频率 7000 步/s 启动矩频率特性 m 运行频率特性 n 电感 35.5mH 电阻 0.37 分配方式 三相六拍 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 3 外形尺寸 110 *160mm 重量 6kg 回转刀架纵向进给滚珠丝杠(50082.5) 中径 50mm 大径 49mm 导程 8mm 循环列数 圈数 1 2.5 额定动载荷 22556N 额定静载荷 69825N 2.3 CA6140 型车床的特点 CA6140 型车床本机床适用于车削内外圆柱面，圆锥面及其它旋转面，车削各 种公制、英制、模数和径节螺纹，并能进行钻孔，铰孔和拉油槽等工作。床身宽 于一般车床，具有较高的刚度，导轨面经中频淬火，经久耐用。机床操作灵便集 中，溜板设有快移机构。采用单手柄形象化操作。机床结构刚度与传动刚度均高 于一般车床，功率利用率高，适于强力高速切削，主轴孔径大。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 4 第 3 章 结构设计方案 3.1 纵向进给的改装 3.1.1 改装方案 为了适应自动进给，发挥数控机床的优越性，必须将进给系统做彻底的改装。 具体方案如下： (1) 先将原机床的纵向进给连接装置全部拆除，换上滚珠丝杠及步进电机。 (2) 在机床的床头箱壁上钻孔，用以固定滚珠丝杠的一端；然后将步进电机 和滚珠丝杠之间的传动箱固定在机床床头。 (3) 增加滚珠丝杠间的防尘胶套 (4) 增加步进电机与滚珠丝杠间的传动系统。 3.1.2 进给系统的布局 数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，不论点位还是连续控制，被加 工工件的最后坐标精度和轮廓精度都受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性 的影响。为此，在设计进给系统时应充分注意到减少摩擦阻力，提高传动精度和 刚度、消除传动间隙以及减少运动件的惯性。 通常采用由步进电机直接带动滚珠丝杠或加一对至两对齿轮带动丝杠进行运 转。具体方案如下(图 3-1)： 方案()具有传动键短，传动精度高的特点。但由于步进电机有效转矩小， 而且有效转矩还会随频率的升高而下降，不能满足使用要求；另外由于步进电机 的脉冲当量的限制及车床最小进给量的需求，所以进给系统般不采用方案(一)， 而采用方案(二)，即采用降速齿轮传动。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 5 图 3-1 进给方案框图 3.2 滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母副(以下简称滚珠丝杆副)是回转运动与自线运动相互转换的新 型传动装置。图 3-2 是滚珠丝杠副的原理图。在丝杠和螺母上加工：有弧形的螺 旋槽，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而 滚珠则沿着滚道流动。螺母螺旋槽的两端用回珠管连接起来，使滚珠能做周而复 始的循环运动，管道的两端还起着挡珠的作用，以防滚珠从滚道掉出。 数控车床出现后就采用滚珠丝杆副，被公认为是一种精密而又省力的运动转 换装臂，如今它的用途越来越广泛。 3.2.1 滚珠丝杠副的特点 (1)传动效率高，摩擦损失小。 从机械原理：中知丝杠螺母的传动效率为： = (3-1) )( tg tg 式中： 螺旋升角 一一摩擦角 (非常小，对于滚珠丝杠的微 10 左右) 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 6 图 3-2 滚珠丝杠原理图 滚珠丝杠的传动效率=0.920.96，而一般常规的丝杠螺母副的传动效率 为 =0.200.40，所以滚珠丝杠副的传动效率比常规螺母副提高了 34 倍，因 此功率消耗相当于常规丝杠的 1/4l/3。 给与适当的预紧可消除丝杆和螺母的螺纹间隙。 滚珠丝杠副预紧后，可消除螺纹间隙，这样返程就没有空程死区，反向定位 精度，与常规相比螺母副比较有较高的轴向刚度。 运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 滚珠丝杠基本上是滚动摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小几乎与运动速度 无关，这样就保证的平稳性。由于是滚动摩擦，与常规丝杠螺母副相比较不易出 现爬行现象，故传动精度高。 有可逆性 由于滚珠丝杠副摩擦损失小，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直 线运动转换为旋转运动，丝杠和螺母都可以作为主动件， 也都可以作为从动件， 所以具有可逆性。 磨损小，使用寿命长。 因为滚动摩擦系数小，磨损小，故使用寿命长。 制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母元件的加上精度高，光洁度要求也高，因此制造成本高。 不能自锁 特别是垂直丝杠，由于自重惯性力的关系下降时，当传动切断后，不能停止 运动。故常需加制动装置。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 7 3.2.2 滚珠丝杠副的参数 如图：33 滚珠丝杠副的参数有： 图：33 滚珠丝杠参数图 公称自径 d0 公称直径越大，承载能力和刚度越大，推荐其值应大于丝杠的工作长度的 1/30。 导程 L 丝杠相对于螺母旋转任意弧度时，螺母上基准点的轴向位移。 基本导程 L0 丝杠相对于螺母旋转 2 弧度时，螺母上的基准点的轴向位移。 接触角 在螺纹轨道法向剖面内滚珠球心与滚道接触点的连线和螺纹轴线的垂直线的夹 角。理想的为 45。 滚珠直径 d。 滚珠的工作圈数 j 试验表明，在每个循环回路中，各圈滚珠受到的负载是不均匀的，第一圈滚 珠受总载荷的 50%左右，第二圈约承受 30%，第三圈约为 20%。因此滚珠丝杠副的每 一个循环回路的滚珠工作圈数取为 j=2.53.5 圈，工作 9 圈数大于 3.5 无实际意义。 滚珠总数 N 一般不超过 150 个，若设计计算时超过规定的最大值，则因流通不畅容易产生 堵塞现象。若出现这种情况，可从单回路式改为双回路式或加大滚珠丝杠的名义直 径 d 来解决。 0 其他参数 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 8 除了上述参数外，滚珠丝杠副还有丝杆螺纹大径、丝杠螺纹小径 d 、螺纹全长 1 L、螺母螺纹大径 D、螺母螺纹小径 D 等参数。这些参数与滚珠丝杠的承载能力、精 1 度要求、效率及流动畅通性能等有密切关系。又滚珠丝杠副的结构和调整目前，滚 珠丝杠尽管在结构上式样很多，但主要区别在于螺纹轨道界面形状，滚珠的循环方 式以及轴向间隙的调整和预紧拉力的方法等两个方面。目前我们国家正式投产的滚 珠丝杠副的 螺纹滚道型面的形状仅有单圆弧型面和双圆弧型面两种。 滚珠的循环方式及其相应的结构对滚珠丝杠的加工工艺、工作可靠性和使用寿 命都有很大的影响。目前，国内常用的滚道循环方式可分为：外循环方式和内循环 方式。 外循环的结构制造比较容易，因而应用广泛。滚珠在循环中有一部分与丝杠脱 离接触的称为外循环螺母。滚珠在循环中和丝杠始终不脱离接触的称为内循环滚珠 螺母。内循环的滚珠丝杠列只有圈滚珠，因而回路较短，工作滚珠数目较少， 流畅性好，摩擦损失少，传动效率高，径向尺寸紧凑，轴向刚度好，承载能力也较 高等特点。但它的反向器结构复杂，制造困难，最好用数控机床加工。 滚珠丝杠副的轴向间隙是指受载时，在滚珠和滚道型面接触点的弹性变形所引 起的螺母位移量和螺母原有的间隙的总和。因此，要把轴向间隙消除是相当困难的。 通常采用双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在最小限度内。如果滚珠与配合公差 选择的适合，就可以获得相当高的精度。 滚珠丝杠如果采用预紧方法来消除其轴向间隙。从它本身的结构和弹性变形的 特性出发要注意以下几点： 通过预紧使预拉变形，以减少弹性变形所引变形的位移，但预紧力不能过 大，如果力过大，则会使驱动力矩过大，传动效率降低和使用寿命缩短。 特别要注意，要使丝杠安装部分与驱动部分的间隙尽可能减小到最小。单螺 母是不能消除轴向间隙的，双螺母的滚珠丝杠消除轴向间隙。 目前国内常用的有以下几种形式： 垫片调整式 螺纹调隙式 齿差调隙式 其中螺纹调隙式的结构紧凑，调整方便，但调整轴向位移不太精确，应用较 广泛。 3.2.3 滚珠丝杠副的设计与计算 根据前面所叙述的内容，由于我们所改造的车床力求简单，价格低，所以采 用外循环滚珠丝杠副，采用螺纹间隙式来调整轴向间隙。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 9 滚珠丝杠的材料选为 GCr15 滚珠螺母的材料选为 GCr15 强度的计算 (1) 由机床的技术参数可知 机床的轴向最大切削抗力为 1500 公斤力(相当于 14700 牛顿)。 机床的最大切削力是 147KN (2) 工作负载的计算 由于纵向导轨是组合导轨， 因而其工作载荷是： P = K F + f + (F +G) (3-2) 在正常情况下 K=1.15 f =0.16 则 p=1.15 1.47=1.69KN (3) 计算额定动载荷 C= (3-3)p f fff n Hdh 其中 f 一机床滚珠丝杠的寿命 h f 一载荷性质系数 d f 一动载荷硬质影响系数 H f 一转速系数 n P 一轴向载荷 查机床设计手册表 5.730 、5.7-31、5.7-32、及图 5.7-89、5.7-90 知： f =3 ， f =1.1 ， f =0.4 P=1.69KN hdH C=kgfKN612.13694.1369 . 1 4 . 0 11 . 13 (4)选滚珠丝杠 由机电一体化手册表 7.213 知：序号 19 的滚珠丝杠符合要求。因而， 我们初选滚珠丝杠为 5008-2.5。其主要参数在机床的技术参数中以列下。 (5)效率计算 = (3-4) )g(t tg 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 10 其中： 一螺旋升角 =2.91 一摩擦角，取滚动摩擦系数 f=0.03 =10， =944 . 0 )17 . 0 91 . 2 ( 91 . 2 tg tg (6)刚度的验算 滚珠丝杠在工作负载和扭矩作用下每一米长度内螺矩的压缩变形和扭转变形 综合误差为： 式中： P 一工作负载 P=1.69KN E 一弹性模量 对于钢 E=2.1 10 kg/cm 52 F=10.11cm 2 0 )2 4 RD （ 2 )067 . 2 *240( 4 M 一滚珠丝杠上的工作扭矩 M=cmkgf tP 75.16 944 . 0 2 6 . 0562.16 2 t 一滚珠丝杠的螺距 t=0.6cm G 一扭转弹性模量。对于钢 G=8.4 10 kg/cm 52 J 一滚珠丝杠截面积的极惯性矩 c J = c 444 71.19)236 . 0 4( 3232 cmd = 71.19104 . 8 6 . 075.1650 11.10101 . 2 562.16100 56 =0.00781cm/m =78.1m/m 从数控机床的结构与传动表 517 中查得：对于八级丝杠 =90 m/m 的允许值，而 =78.1m/m90m/m 所以，此滚珠丝杠的刚度足够。 在结构设计中，我们在滚珠丝杠的两端都装了止推轴承及向心轴承，丝杠不 会发生失稳现象，所以不必进行稳定性验算。 (8) 摩擦扭矩的计算 a . 预紧力的计算 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 11 P = y kgfP5001500 3 1 3 1 b. 摩擦力矩 M = (3-5) y ）（ 2 1 2 SP M y y 式中： S 一螺纹导程， S=08cm 滚珠丝杠效率，=0.944 ）（ 2 1 2 SP M y y =）（ 2 944 . 0 1 944 . 0 2 008 . 0 500 =0.069kgfcm 3.2.4 滚珠丝杠副在机床上的安装方式 (1)滚珠丝杠副的支撑方式 数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的 刚度之外，滚珠丝杠正确的安装及其支撑的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母 座、丝杠端部的轴承及其支撑加工的不精确性和他们在受力之后的过量变形都会 对进给系统的传动刚度带来影响。因此，螺母座的孔与螺母之间必须保持良好的 配合，并应保证孔对端面的垂直度，螺母座应当增加适当的筋板，并加大螺母座 和机床结合部件的接触向积，以提高螺母座的局部刚度和接触刚度。滚珠丝杠的 不正确安装以及支承结构的刚度不足还会使滚珠丝杠的使用寿命下降。 实践证明,为了提高轴向刚度，滚珠丝杠副常用止推轴承来支承。滚珠丝杠的 支承方式有以下几种：(图 34) a一端装止推轴承，如图(a) 所示。 这种安装方式仅适用于短丝杠，它的承载能小，轴向刚度低。般适用于数 控机床的调整环节或升降台式数控铣床的立向(垂直)坐标中。 b一端装止推轴承，端装向心球轴承，如图(b)所示。 滚珠丝杠较长时， 端装止推轴承固定，另自由端在装有向心球轴承。 这是必须要注意止推轴承要远离液压马达、热源及丝杠的常用部分，其目的都是 为了减少丝杠热变形的影响。由于数控机床常常要连续工作数小时有时甚至数十 个小时，因而丝杠的热变形必须予以重视。 c 两端装止推轴承，如图(c)所示。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 12 把止推轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧力，这样有助于提高刚度，但 这种安装方式对丝杠的的热伸长较为敏感。 d 两端装止推轴承和向心球轴承。如图(d)所示。 为了使滚珠丝杠有最大的刚度，它的两端可用双重支承，即止推轴承加向心 球轴承并加预紧力。这种结构方式叫可使丝杆的温度变形转化为承加向心球轴承 并加预紧力。这种结构方式可使丝杆的温度变形转化为，止推轴承预紧力，但设 计时要求提高止推轴承的承载能力和支承刚度。 图-4 滚珠丝杠的安装方式 在设计中，我采用(d)方案。 (2)滚珠丝杠副的制动 由于滚珠丝杠副的传动效率高，因而失去了自锁作用，特别是滚珠丝杠处于 立向传动时，必须有制动装置。而在 CA6140 型车床中，滚珠丝杠处于水平传动， 所以不用加制动装置，具体情况下，如果需要采用制动装置，可以参考有关设计 手册有时也可用超越离合器作为滚珠丝杠的制动装置。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 13 3.2.5 滚珠丝杠的润滑与密封 (1)润滑 滚珠丝杠和常规(滑动)丝杠一样，需用润滑剂来提高丝杠的耐磨 性和传动效率。润滑剂有润滑油和油脂两大类。如用润滑油，可用 20 号或 30 号 机械油、90180 号透平油或 40 号主轴油等。如用油脂可用高压润滑脂或锂基润 滑脂。用液体润滑时，可从螺母壳上的油孔注入螺母体内的空间。用油脂润滑时， 要直接加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间 (2)防护 滚珠丝杠经预紧后轴向间隙减小，因而如有硬质的灰尘或切削等赃 物落入螺纹滚道，就会妨碍滚珠的运转并加速磨损。因此，滚珠丝杠副常采用防 尘密封装置。 常用的防尘密封装置有密封圈和防护罩两类。 (a) 密封圈 密封圈装在螺母的两端，有接触式和非接触式两种。接触式的弹性密封圈是 由耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠滚道相配合的形状，即与螺纹滚道向 贴台。这类密封的防尘效果好，但有接触应力，会使摩擦力矩稍有增大。非接触 式的密封圈是用聚氯乙烯等制成。其内孔形状与丝杠螺纹滚道相反，并略有间隙， 故不能增加摩擦力矩，但防尘效果差。非接触式密封圈心称为迷宫式密封圈。 （b）防护罩 防护罩能防让尘土及硬性杂物等进入滚珠丝杠，防护罩有锥形套管、伸缩套 管、也有折叠式(于风琴式)的塑或人造革防护罩，也有用螺旋式弹簧制成的防护 罩连接布。滚珠担杠的支撑座及滚珠螺母的两端等。对防护罩材料性能的要求是： 耐油、耐腐蚀、耐高温和耐用等。 本次设计中我采用的是手风琴式防护罩，其优点是即实用又经济。 以下论述的是纵向进给系统的改装及其滚珠丝杠的选择。 3.3 步进电机 1概述 步进电机是以中将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是 种特殊的电动机。一般的电动机部是连续旋转的，而步进电机则有定位和运转 两种基本状态，当有脉冲输入时步进电机一步步的转动，每给它个脉冲信号， 它就转过定角度。步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间 上与脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便 可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下 气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态， 、由于步进电机的转速随着输入脉 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 14 冲频率的变化而变化，调速范围较广，灵敏度高，输出转角能够控制，而且输出 精度较高，又能同步控制，所以广泛的使用在开环系统中，也还可用在一般通用 机床，提高进给机构的自动化水平上。 2步进电机的分类 a步进电机按其输出扭矩的大小来分，可以分为快速步进电机和功率步进 电机。 b步进电机按其激励相数，可以分为：相步进电机、四相步进电机、五相 步进电机、六相步进电机甚至八相步进电机。 c步进电机按其结构特点又可分为，反应式、永磁式和永磁感应式。 3步进电机的结构和工作原理 由于反应式步进电机结构简单，性能可靠，分辨率高，在我国步进电机市场， 占主要地位，所以在此以反应式步进电机为例，来论述步进电机的结构及工作原 理。 a步进电机的工作原理 如图 3-5 所示，在电机的定子上有 A、B、C 对磁极，磁极上绕有线圈，分别 称主为 A 相、B 相和 C 相，而转子则是一个带齿的铁芯，这种步进电机称之为三相 步进电机。若在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当 A、B、C 三个磁极的线圈 依次轮流通电，则 A、B、C 三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。 图 3-8 步进电机工作原理图 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 15 首先有相线圈(设为 A 相)通电，则转子 1、3 两齿被 A 磁极吸住，转子就停 留在图 3-5(a)的位置上。 然后，A 相断电，B 向通电，则 A 磁极的磁场消失 B 磁极产生磁场，B 磁极的 磁场把离它最近的 2、4 两齿吸引过去，停止在图 3-5(b)的位置上，这时转子逆时 针转了 30 。 在接下去 B 相断电，C 相通电。根据同样的道理，转子又逆时针转了 30 停止 在 3-,5(c)的位置。若在让 A 相通电，B 相断开，那么转子再旋转 30 ，使磁极 A 的磁场把 2、4 两个齿吸住。定子各项轮流通电一次转子转过一个齿。这样按 A BCABCA 次序轮流通电，步进电机就一步步的按逆时针旋转起来。通 电线圈每转次，步进电机旋转 30 ，我们把步进电机每步转过的角度称之步距 角。 如果把步进电机通电线圈转换的次序倒过来换成 A 一 CBAC 一 B 一 A的顺序，则步进电机将按顺时针方向转动，所以要改变步进电机的旋转方向 可以在任意相通电时进行。 如上所述，在 A、B、C 三相绕组内分别轮流单向通电的运行方式称为三相单 三拍控制运行方式(所谓拍，是指个周期内，或每转一个齿距角定于绕组改变通 电方式的次数)。这样，在转换时一相绕阻断电而另相绕组通电，容易造成失步。 另外， 只有相绕组吸引转子，也容易使转子在平衡位置振荡，稳定性不好。 解决这个问题可以采用三相六拍控制方式。此时通电顺序按 AABBBC 一 C 一 CA 一 A 进行，每转换次步进电机就顺时针转过 30 ，如图 3-6 所示。 图 36 三相六拍步进电机 AB 相通电情况 本次设计中，我采用的就是三相六拍式步进电机。 b步进电机的结构 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 16 在反应式步进电机中，有顺轴式(又成多断式或轴向间隙式)和垂轴式(又称为 单段式或径向间隙式)两种。光看个最简单的反应式步进电机。他的定子和转子 都是冲有槽的叠片结构，其中定子内壁上均匀分布 6 个齿极，每个齿极上都有控 制(激磁)绕阻，相对的两齿极构成一相，他们的绕阻以一定方式连接在起。 转子有两个齿极，齿极之间的夹角称为齿距角。转子上没有激磁绕阻，也没 有永磁性，他只是个导磁体。当三相绕阻被依次通电时，在磁拉力的作用下， 转子将被吸着步步转动。 4步进电机的主要技术指标 步距角 步进电机每接受一个脉冲信号，转子要转过个固定的角度，即走了步。 这固定角称之为步矩角，用 表示。 步进电机的步距角可用下列公式计算： (3-6) kZm 360 其中： m-步进电机的相数 Z 一步进电机转子的齿数 k 一通电方式 相邻两次通电的相数样 k=1 相邻两次通电的相数不样 k=2 最大静态转矩 所谓静态是指步进电机通以不变的直流电流，转子不动时的定位状态。在静 态时，电机所能达到的最大电磁转矩称为最大静态转矩。其值越大就说明它带动 负载能力越强。 最大传动转矩 步进电机启动可能带动的最大负载转矩。 启动频率 空载时，转子从静止状态不失步(即每秒钟转过的角度和控制脉冲相对应)的 最大控制频率称为启动频率或突跳频率。一般来说，随着负载惯量的增加，启动 频率就会下降。如果除了惯性负载外，还有转矩负载，则启动频率会进一步下降。 最高工作频率 步进电机连续运行时，使控制脉冲逐渐升高，步进电机仍不失步的最高频率。 5步进电机的选择 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 17 选择步进电机时，首先必须保证步进电机的输出功率大于负载所需功率。改 进后的机床的纵向进给机构采用了开环传动方式，确定纵向脉从当量为 001 毫 米/脉冲。根据最大负载转矩和摩擦转矩来选驱动元件一步进电机。 M=M+M =67.225+6.94=740165=7.27Nm maxy 其中：M=67.225kgf cm max M =6.94kgf cm y 根据 M 的值，我选择种反应时步进电机，由机电体化手册查得为 110BF003 型，其主要参数如下： 相数 3 相 步矩角 0.7 电压 80 V 电流 6A 最大静态转矩 7.84NM 空载启动频率 1500 步S 启动矩频率特性 m 运行矩频率特性 n 分配方式 三相六拍 外形尺寸 110 160mm 各相通电方式 A 一 AB 一 B 一 BC 一 C 一 CA 式 6步进电机的控制 (1) 步进电动机的驱动电源 步进电机的驱动电源，必须使各项绕阻按定顺序通以脉冲电流，步进电动机 才能正常工作。因此，步进电动机和驱动电源是个有机的整体。对步进电动机驱 动电源要求如下： 相数、通电状态、电压和电流要适应步进电机的需要，相绕阻电流要有足 够的幅度日有清晰的前后沿，以产生接近矩形波的电流波形。 能适应步进电机的驱动频率和最高连续运行频率的要求，工作可靠，抗干 扰能力强。 驱动电源总体效率高，安装方便，价格便宜。 (2) 驱动电源的组成 步进电动机的驱动电源包括变频信号源、脉冲分配器和功率放大器三个部分。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 18 变频信号源是一个脉冲由几赫兹到几十千赫兹连续变化的多谐信号发生器，通过 调节其电阻和电容的大小，来改变其充放电时间常数，从而得到各种频率的脉冲 信号。 脉冲分配器是根据指令把脉冲按一定的逻辑关系加到各项绕组的功率放大器 上的专用集成电路，它使步进电机按一定的方式运行实现正反转控制和定位，使 用起来非常方便。 (3) 步进电动机控制专用集成电路 步进电动机专用的集成电路国产的有 PM03(三相三拍或三相六拍)、PM04(四相 四拍或四相八拍)、PM05(五相五拍或十拍)、PM06(六相六拍或十拍)等系列，分别 用于二相、四相、五相、六相步进电机的控制。这些集成电路部具有失步错误诊 断报警输出功能。 由于本设计用的是三相六拍的步进电机，所以重点介绍 PM03 集成电路。 (如图 37 所示) 图 37 PM03 管角功能 国产 PM 系列专用集成电路推荐使用参数如下： 输小高电平2.4V 吸收电流 6mA 输出低电平0.4V 工作频率 0lMhz 输入高电平0.4V 电源电压 5V0.5V 输入低电平2.4V 环境使用温度 070 3.4 降速齿轮在进给系统中的应用 在数控机床中，步进电机都带有一定的负载工作。因为它是按照电磁铁吸 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 19 引力工作的，所以负载惯性转矩增大定的数值时，步进电机达到同步过程的时 间就会增大，引起电机的振荡、失步、逆转、摇脱等现象。为了克服这种现象， 通常采用一对降速齿轮改变负载的惯性矩，以达到使之减小的目的。 1这样，降速齿轮的作用有： (1) 减小步进电机的转动惯量 按机械原理可得出步进电机传动轴转动惯量 Jd 2 2 1 32 2 2 1 10 ) 2 ( 980 )()( Z Zt JJ Z Z JJJd 其中： J 一主动轮转动惯量 1 J 一步进电机的转动惯量 0 J 一被动轮转动惯量 2 J 一丝杠的转动惯量 3 Z 一主动轮齿数 1 Z 一被动轮齿数 2 一工作台重量 t 一丝杠螺距 因为 Z Z ，所以采用降速齿轮的负载转动惯后：要小于步进机的自接驱 12 动丝杠的转动惯量。 (2)可减小步进电机的负载力矩 Md 按机械原理得： 负载力矩 M d M = d )(36 4 2 2 1 uPt Z Z 其中： u 一导轨的摩擦系数 一传动系统的总效率 P 一运动方向的切削力 由于：Z Z ，则 M 随之减少。 12d 在设计者确定了步进电机步距角和脉冲当量后，般是通过调整降速齿轮的 传动比来保证脉冲当量数，传动比的计算公式如下： (3-8) p t Z Z i 360 2 1 其中 t 一丝杠螺距 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 20 一步距角 一选定的脉冲当量 p 另外，考虑到在今后的加工过程中，当些场合要改变脉冲当量时， 可在 中心距不变的情况下改变齿轮的传动比，这样不仅结构简单而且变动十分方便。 2. 降速齿轮在设汁中应注意的问题 当齿轮副的结构参数选定后，除对其传动机构进行矩频特性和惯频特性 的校核。 为了保证机床的传动精度，保证其良好的工作状态，结构设计时应注意 到将减小传动间隙。目前，一般采用的是： 偏心轴套调整法 轴向垫片调整法 双片薄齿轮错齿调整法 3.步进电机到滚珠丝杠螺母副之间的传动比 i (3-9) 360 t i 其中： 一步距角 =075 t 一丝杠螺距 t=0.8cm 一脉冲当量 =0.01cm 67 . 1 01 . 0 360 8 . 075 . 0 i (5)齿轮结构设计 对于小齿轮，由于直径不大，因而做成整体式结构 对于大齿轮，由于数控机床的进给系统的传动精度受到传动件中齿轮等 传动间隙的影响，因此，为提高机床进给系统的精度，应采刚清除齿轮传动间隙 的措施在本设计中，采用了双保片齿轮错齿调整法其方法是把大齿轮做成两 个薄片齿轮，齿宽相同，即都为 17mm两保片齿轮都加工出凹槽，在每一槽端都 装有一个凸爪，在每两个齿轮的相应一对凸爪中间的凹槽内装有一压缩弹簧，结 构如图所示(图 311)。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 21 图 311 减速齿轮结构图 调整前，将三个内六角螺钉松开，两齿轮靠弹簧张力向两个相反方向运动， 已消除齿轮等传动间隙。 3.5 回转刀架 回转刀架是一种最简单的的自动换刀装置。根据不同加工对象，可以设计成 四方刀架和六角刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀 具，并按数控装置的指令换刀。 回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力， 由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程 中刀尖的位置不进行人工调整，因此更有必要选者可靠的定位方案和合理的定位 结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为 0.0010.005mm） 。 图纸一为数控机床的六角回转刀架，他适用于盘类零件的加工。在加工轴类 零件的时候可以换用四方回转刀架。由于两者底部的安装尺寸相同，更换刀架十 分方便。 回转刀架的全部动作液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制。他的动作 分为四个步骤： （1）刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，压力油 A 孔进入压紧油缸 的下腔，活塞 1 上升，刀架体 2 抬起使定位用活动插销 10 与固定插销 9 脱开。同 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 22 时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮 5 结合。 （2）刀架转位当刀架抬起之后，压力油从 C 孔进入转位油缸左腔，活 塞 6 向右移动，通过连接板带动齿条 8 移动，使空套齿轮 5 做逆时针方向转动， 通过端齿离合器使刀架转过 60 。活塞的行程应等于齿轮 5 节圆周长的 1/6，并由 限位开关控制。 （3）刀架压紧刀架转位之后，压力油从 B 孔进入压紧油缸的上腔，活 塞 1 带动刀架体 2 下降。件 3 的底盘上精确地安装了六个带斜楔的圆柱固定销 9， 利用活动插销 10 消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。刀架体 2 下降时， 定位活动插销 10 与另一个固定插销 9 卡紧，同时件 3 与件 4 的锥面接触，刀架在 新的位置定位并压紧。这时，端齿离合器与空套齿轮 5 脱开。 （4）转位油缸复位刀架压紧之后，压力油 B 孔进入转位油缸的右腔， 活塞 6 带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮 3 在轴上空转。 如果定位和压紧动作正常，推杆 11 与相应的触头 12 接触，发出的信号表示 换刀过程已经结束，可以继续进行切削加工。 第 4 章 电气控制设计 我国机床与机械设备的电气控制，绝大部分采用传统的继电器系统，这种硬性 逻辑的控制方式，没有不同逻辑功能的通用性，对于不同的机床和机械的电气控 制都必须进行单独调整，而且接线复杂，故障率高。而今世界上流行的可编程控 制器 PLC，它的通用性好，对不同的机床或机械采用相同的硬件，只是软件各不相 同。只要把原来的按钮、限位开关、无触点行程开关、光电开关等电器元件作为 输入信号，接入编程控制器。而把电磁铁，电磁阀、接触器等功率输出元件作为 输出信号，接在输出端，就算完成了全部接线任务。而且编程方法简单，不需要 专门的编程人员：而且它有光电隔离器，不怕干扰。因而，在我们所设计的数控 机床上，就采用了可编程控制器。 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 23 4.1 可编程控制器 PLC 的发展概况 一、PLC 的产生 在 PLC 之前，在工业的顺序控制的领域内，常常采用诸如继电器、鼓式开 关、纸带阅读器等机械电气式器件作为控制元件，尤其是控制继电器，往离散制 造过程控制领域内，成为开关控制系统中广泛使用的器件。但是，随着工业出现 代化的发展，生产规模越来越大，劳动生产率及产品质量的要求在不断的提高， 对于控制系统的可靠性也提出了更高的要求，由于以下几个原因原有继电器控制 系统已不适应需要了，原因如下： 1动作缓慢。 2寿命短，可靠性差。 3体积大，耗电多。 4设计制造周期长，程序修改费时 5不能实现计算机对话。 到了六十年代后期，虽然小型计算机已日趋完善，应用领域也不断扩大，但 小型计算机用于开关控制系统，由显然存在着“大马拉小车”的状态。这是由于： ： 1编程复杂，要求有较高水平的编程人员和操作人员。 2需要配套非标准外围接口。 3对环境和现场条件要求过高。 4功能过剩，机器资源未能充分利用。 5造价高昂。 需要促使人们去寻求新的出路，PLC 应运而生。它首先应用于美国 的汽车工业。这时的 PLC，用了固态电路来代替继电器逻辑电路；用存 储器中的存储数位来代替继电器系统的布线，以规定逻辑关系。这时 PLC 的具备以下几个特点： 1 环境适应性较强，可以用于车间现场。 2 有较高的可靠性和论断能力，维修容易。 3 基本能适应不同的制造过程所需，柔性度有了较大提高，只要改变 系统中的程序即可，而无须改造或更换控制硬件等。 二、 PLC 的发展阶段 从 1969 年第一台问世到今，PLC 编程控制器共经历了三个阶段： 第一阶段：开发的 PLC 容量较小。用户存储区：容量在 2KB 左右，扫描速度 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 24 为 2050ms/kb，指令较为简单只有逻辑运算、计时、计数等，编程语言采用简 单的语句表示。使用上，主要用来做开关量控制。 第二阶段：PLC 的容量有所发展，用户程序存储区：扩展到 8kB 以上，速度也 有提高，指令功能除了基本的逻辑运算、计算、计数、计时外，还增加了算术运 算指令。比较指令以及模拟量处理指令等。编程语言除了使用语句表外，还可以 使用梯形图语言。 第三阶段：进入 80 年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技 术的迅猛发展，以 16 位至 32 位微处理器构成的得到惊人发展，在这一阶段的产 品向大型和小型两个方向发展。指令功能除了基本的逻辑运算、计时、计数、顺 序控制外，还有算术浮点运算指令，调节功能指令，图形组态功能指令，网络和 通讯指令。编程语言普遍采用梯形图语言，同时也使用语言表和顺序功能语。而 小型产品则向超小型化和加强忆功能发展。 三、可编程控制器的含义 l985 年 1 月国际电工委员会对可编程控制器给出如下定义：“可编程控制器 是种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。 ”它采用可编程控制器 的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等 操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过 程。可编程控制器及其有关设备，部应按易于工业控制系统连成个整体，易于 扩充的原则设计。 4.2 可编程控制器(PLC)的特点 PLC 专为工业环境下应用而设计，以用户需要为主，又采用了先进的微型计 算机技术，所以具有以下几个特点： 1 控制程序可变，具有很好的柔性。再生产工艺流程改变或生产工艺革新 的情况下，不必改变 PLC 的硬设备，只要改变程序就可以满足要求。因此出单及 控制外，PLC 的柔性制造系统、柔性制造单元以致工厂自动化中也被大量采用。 2 具有高度的可靠性，是用于工业环境。PLC 产品的平均故障间隔时间 般可达到五年以上，因此是种高度可靠的工业产品，大大提高了生产设备的运 行效率。PLC 不要求专用设施的机房，这就为工业现场的大量直接使用提供了方便。 3 功能完善。现代 PLC 具有数字和模拟量输入和输出、逻辑和算术运算、 定时、计数、顺序控制调节，各种职能模块、远程模块、通信、人机对话、自诊 大庆石油学院本科生毕业设计（论文） 25 断、记录和图形显示、组态等功能。除了适用于离散型开关量控制系统外，现在 也能应用于连续的流程控制系统，从而使控制设备的控制水平大大提高。 4 易于掌握便于维修。 由于 PLC 使用编程器进行编程和监控。使用人员只需掌握工程上的梯形图语 言就可以进行用户程序的编制和调试。因此，即使不太懂得计算机的人员，也能 掌握和使用 PLC。也由于 PLC 有完善的自诊功能，输入和输出均有明显的指示，在 线监控软件的功能很强，因此，很容易进行维修，能很快的查出故障的原因。PLC 本身的高可靠性也保证了故障的几率时很低的。 5 体积小省电。 与传统的控制器相比，PLC 的体积很小，台收录机大小的 P