教学型数控铣床设计

1 目  录  第一章 、 绪论  . 错误 !未定义书签。  言 . 错误 !未定义书签。  控铣床简介 . - 1 - 程设计的目的及意义 . - 2 - 第 二章、设计任务说明书  . 2 本任务及要求  . 错误 !未定义书签。  度安排及完成时间  . 错误 !未定义书签。  第 三章、课题总体方案的确定 . . 3 械传动部件的选择 .制系统的设计 . 3 统运动方式的确定 .服系统的选择 .、 Y 工作台的传动方式 . 四章、控制系统的设计  . 6 制系统的总体结构 . 6 动控制模块简介 . 6 制单元 选择 . 6 位模块 介  . 错误 !未定义书签。  要控制信号 .未定义书签。  要参数 . 未定义书签。  令运用 .未定义书签。  位单元各部分引脚名称功能示意图 .未定义书签。  动放大器 .1 - 频器的选择 .2 - 频器简介 .2 - 频器外部接线图 .3 - 频器的远程监控 .3 - 进电机的选择 . - 14 - 制系统硬件连接原理图  . 错误 !未定义书签。  制面板的设计  . 错误 !未定义书签。  第五章、课程设计总结  . 错误 !未定义书签。  第六章、附录  . 错误 !未定义书签。  考文献  . 错误 !未定义书签。  器元件清单  . 错误 !未定义书签。   2 第一章   绪论  在我国对外开放进一步深化的新环境下  ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性  ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度  ,数 控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备  ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术  ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品  ,其技术范围覆盖很多领域。   数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化  ,使制造业成为工业化的象征  ,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大  ,他对国计民生的一些重要行业  车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。   控铣床简介  数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的 ,两者的加工工艺基本相同 ,结构也有些相似 ,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床 ,所以其结构也与普通铣床有很大区别 . 如图所示，数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成：  1、主轴箱  包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。  2、进给伺服系统  由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋 转运动。  3、控制系统  数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。  4、辅助装置  如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。  5、机床基础件  通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架  其中， 控工作台是数控铣床的重要组成部分，它是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵 横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的 作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的 控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服 电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 X、 Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。  本次课程设计也将从机械选择以及程序设计等几个方面对 控铣床进行大致的研究。   3 机电一体化课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识 ，独立进行的设计训练，主要目的与要求：    1、  通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想怪知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。      2、  通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式    3、  通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式    4、  培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想   5、  锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力   4 第三章   课题总体方案 的确定  数控系统总体方案设计的内容包括：机械传动部件的选择、控制系统的设计两个大的方面。还有系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服系统及通电方式控制方案的确定， X、 Y 工作台的传动方式等。下面进行方案的分析。  械传动部件的选择       （ 1） 导轨副的选用    要设计的 作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副。它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。    （ 2） 丝杠螺母副的选用    伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足 脉冲当量和   定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。    （ 3） 减速装置的选用    选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为此本例决定采用无间隙齿轮传动减速箱    （ 4） 伺服电动机的选用    任务 书规定的脉冲当量尚未达到 位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有 1000mm/此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性 /价比。    （ 5） 检测装置的选用    选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式 旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。   考虑到 X、 Y 两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量， X、 杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。   5 制系统的设计     （ 1） 设计的 作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。   （ 2） 对于步进电动机的开环控制，选用三菱公司的  列的 作为控制系统的控制单元，能够满足任务书给定的相关指标。    （ 3） 要设计一台完整的控制系统，在选择 后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、 I/O 接口电路、 D/A 转换电路、串行接口电路等。   （ 4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。  统运动方式的确定  该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。  服系统的选择  开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机 而不能纠正系统的传动误差。 但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。  考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。  、 Y 工作台的传动方式  为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。  由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。  系统总体框图如下 : 图 2  系统总体框图   6 第四章  控制系统的设计  制系统总体结构  由前面所确定的控制方案，针对本课题教学实验用数控铣床系统的要求，制定了相应的控制系统。即采用 编程逻辑控制器 )与 联系的控制系统。其总体示意图如下所示：图 3  控制系统总体机构图   7 动控制模块简介      过使用专用的定位控制模块，可以对直线运动、圆周运动的位置，速度和加速度进行控制， 也可实现单轴或多轴位置控制，使运动控制与顺序控制有机地结合起来，广泛地用于各种通用机械、专用机床、机器人、电梯等。三菱公司生产生产的定位控制模块，属于智能 I O 模块，其本身就是一个带有微处理器的计算机系统，有很强的信息处理能力和控制功能，其  身的 行工作，大大提高了系统的速度和控制功能。   列定位控制模块 20能够独立进行 2 轴定位控制的装置，不仅具备定位控制语言、编程控制语言，还具有进行数据处理的功能指令，因此可以独立进行更高级的定位控制。  整个系统由 进电机，伺服驱动器 组成。  基本原理如下图：  图 1 （ 1） 由用户通过 在三菱 专用软件 行梯形图程序的编写，并通过 232 通信线传给  （ 2） 户可以通过手动按钮或控制盒输入开关量给 过计算后 生驱动器电源开关信号，并通过运动控制模块 20制伺服电机驱动器。然后，驱动器拖动数控机床的 X 轴伺服电机和 Y 轴伺服电机完成两轴联动。  （ 3） 20装时，与 定在同一 金属槽中并通过内部扁平线缆和 口电路连接。在 作用下，它会向步进驱动器发出控制脉冲。用户可以通过上位机中的 20用软件 给量进行设置，并通过 232 通信线进行传输。  （ 4） 步进电机及步进电机驱动器，在接收到脉冲信号和方向后，通过连接丝杠进给运动。   8 制单元 选择  三菱公司  列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于 列中最高档次的超小形程序装置。除输入出 16的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途 ，是一套可以满足多样化广泛需要的  系统配置既固定又灵活。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行 16的灵活输入输出组合。备有可自由选择，丰富的品种。可选用 16/32/48/64/80/128 点的主机，可以采用最小 8 点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。  综合我们本次课题的控制方面的要求以及经济性、实用性，我们选择三菱 80  三菱可编程序控制器主机，型号 ； 两路独立输出最高达 100冲，可控制步进电机和伺服电机做定位控制，晶体管输出比普通继电器输出反应时间缩短 90%以上，不存在触点老化问题。输入 40 点输出 40 点，最大可扩展到 256 点。程序容量 8K；可扩展至 16。   图 4  能结构示意图  位模块 介  三菱 称 20一种小型智能化定位单元，其完备的功能完全可以与大中型 位模块媲美。拥有完善的扩 展接口，允许用户使用步进电机或伺服电机，并通过驱动单元来实现双轴的定位控制。  位控制器 (以后称  20脉冲电路输出单元，它使得步进 电机 或伺服电机通过驱动单元进行定位控制。一个 控制 2 个轴（可使用线性插补和园插补）。可使用专用定位语言 (令 )和顺序语言 (基本指令和应用指令 )。  20用 用软件编制控制程序。流程图窗口由可视化的各种彩色符号块组成，用“有向连线”连接，具有形象、直观、简洁、易用的特点。双击对应的指令符号块即出现“参数设置”的形象化对话框，可以方便地进行操作。   9 称 定位单元 ，是输出脉冲序列的专用单元，模块的输出脉冲数、脉冲频率可调，通过步进驱动器或伺服器控制。  有一种专用定位语言指令和顺序语言基本指令和应用指令进行编制位置控制程序，能够同时控制两个坐标轴，并可实现线性 /圆弧插补功能，位置控制功能。  冲发生单元后面称作 "通过给伺服电机驱动器或步进电机驱动器发脉冲 ,可实现两轴定位可实现两轴联动控制。  作为 一种特殊模块 ,可单独工作 ,也可与 接使用 列的 接使用时 ,利用模块自带扁平电缆直接与 扩展口或扩展模块扩展口连接 ;模块地址依与接的顺序从左往右分别为 #0,#1,#2, ;与 间使用  令传递数据与命令。  要控制信号  冲发生单元主要控制信号的功能和意义如表 1 所示。  表 1   主要控 制信号的功能和意义  Y 轴  X 轴    连接器  管脚号  连接器  管脚号  名称  功能    1 动操作开始输入端  2 12 止运行输入端  3 13 动回原位输入端  4 14 向旋转控制输入端  5 15 向旋转控制输入端  6 16 位信号输入端  7 17 向限位开关输入端  8 18 向限位开关输入端  9 19 入信号公共端     服准备好  2， 12 2， 12 Y），X）  1、 11 的公共端  6 6 向脉冲输出端  7、 8、 17、18 7、 8、 17、18 P、 电源输入（ 5V、 24V）  9、 19 9、 19 Y），X）  公共端  11 11 服定位完成  13 13 位开关输入端  14 14 Y），X）  原位开关公共端  16 16 向脉冲输出端   10 要参数  冲发生单元主要参数如表 2 所示。  表 2   主要控制信号的功能和意义  参数编号  缓冲区地址  名    称  功   能   与   意   义  X 轴  Y 轴  字节  0 9200 9400 2 单位体系  确定定位值、速度值的单位（ 0、 1、 2）。  1 9202 9402 2 脉冲率  电动机转动一圈所需脉冲数量。  2 9204 9404 2 进给率  电动机转动一圈，运动机构的位移量  3 9206 9406 2 最小命令单位  脉冲 当量（ 0、 1、 2、 3）  4 9208 9408 2 最大速度  运动机构可以达到的最大速度  5 9210 9410 2 手动速度  手动时，运动机构的运动速度  6 9212 9412 2 点动速度  点动时，运动机构的运动速度  7 9214 9414 2 最低速度  运动机构最低运动速度  8 9216 9416 2 加速时间  速度从零上升到设定工作速度的时间  9 9218 9418 2 减速时间  速度从运行工作速度下降到零的时间  11 9222 9422 2 脉冲输出格式  0 双脉冲输出， 1 单脉 冲输出  12 9224 9424 2 旋转方向  0 正脉冲正转， 1 正脉冲反转  13 9226 9426 2 回原位速度  回原位时，运动机构的速度  14 9228 9428 2 回原位爬行速度  回原位时，运动机构的爬行速度  15 9230 9430 2 原位坐标值  回原位后的坐标设定值  19 9238 9438 2 入逻辑  0 常开触头， 1 常闭触头  令运用  使用 令可对 20参数进行读写操作。指令格式如下：  设 20模块地址为 #0，则第 一条指令执行结果是将 20 数据（ X 轴的当前位置值）读到 数据寄存器 ；第二条指令的执行结果是把 数据寄存器 数据（应存放运动机构的最大速度值）送到 20 9208 中。   20大部分参数均可由 行读写操作，少部分  参数只能进行读操作，使用时请详细阅读使 11 用说明书。                      图 5   尺寸结构图  位单元各部分引脚名称功能示意图  图 6  定位单元引脚名称功能示意图   12 动放大器  图 7  放大器的结构组成  频器的选择  变频器应用 与 变频技术与微电子技术，通过改变 电机 工作电源 频率 方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部 开断来调整 输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。 本次课程设计综合经济性和实用性以及性能的考虑，选用三菱 频器来作为主轴三相交流电动机的变频器。  R 频器简介  频器是日本三菱公司为了适应现代工厂自动化进程而开发的一种新型多用途变频器。它除保持了以往三菱变频器功能强大、操作便捷等优点之外，还可以应用于现代工业各种控制网络中，以便发挥更大的远程控制功能 ， 从而实现智能化工厂（ 目标。  参数说明：  功能  参数号  名称  设定范围  最小设定单位  出厂设定  基  本  0 转矩提升  030% 6%/4% 1 上限频率  0120z 120 下限频率  0120z 0 基波频率  0400z 50 三速设定（高速）  0400z 50 三速设定（中速）  0400z 3013 功  能  6 三速设定（低速）  0400z 10 加速时间  03600s/0360s s/10s 8 减速时间  03600s/0360s s/10s 9 电子过电流保护  0500A 定输出电流  79 操作模式选择  04,  08 1 0 注：其他功能参数参见 频器操作手册。  频器外部接线图  图 8  变频器外部接线图  频器的远程 监控  利用三菱 络可以在在 控系统中远程控制变频器，其方法如下：  （ 1）打开 件，进入运行环境。  （ 2）在菜单篮中选中            ，系统自动弹出一个变频器控制对话框，如下图所示：   14 （ 3）单击“输出频率”的频率显示框，会出现一个频率写入对话框，在此输入您想要使电机转动的频率，点击“确定”，完成频率设置。如下所示：  （ 4）在控制区域中，点击        按钮，启动变频器系统；  （ 5）点击        或        按钮，使电机正转启动或反转启动。在电机运行过程中，也可以时时改变变频器的运行频率。  （ 6） 如欲使电机停止转动，点击        。  进电机的选择  电机选择磁阻式步进电动机  （ 1）  步距角的选择  初步选定步距角为 据已知条件选择步进电机  （ 2）查机械设计手册，选择步进电机 ,步进电机的参数见下表。  表 3步进电机参数  型号  45 相数  3 步距角 ( ) 压 /V 60 相电流 /A 2 最大静转矩 /(N m) 载起动频 率 /(s) 3700 空载运行频率 /(s)  12000 电感 /阻 /  配方式     三相六拍  外形尺寸 / 45 82 质量 /      制系统硬件连接原理图  硬件连接原理图包括输入部分和输出两个部分部分，如下图所示。   15 （ 1）输入部分  （ 2）输出部分  图 9 控制系统连接原理图   16 其中， 电源控制开关是 通过内部扁平程电缆和运动控制模块 20接 (如图 8（ 1）中较粗黑线 )。  输入按钮包括机床启动10X、机床停动作按钮11X、 X 轴动作按钮12X、两轴联动按钮13X、 Y 轴动作按钮14X、正向15X、反向16位开关等多个 项目，主要用于用户输入开关量； 输出是 点和1中 过继电器 线圈连接到公共端 通过 点连接接触器 圈，由 触点和空气开关 起控制 x 轴和z 轴伺服电机驱动器的通断。  1 轴伺服电机驱动器的通断，从而使机床处于单轴动作状态。  当线路连接完毕后，合上 将 状态开关 拨至“ 程状态，此时将梯形图文件传送至  20编程电缆也连接到上位 上，并将 20状态开关拨至“ 动状态上。然后通过拍 20用软件“ E”将定位程序传送至 20    将开关 上，并将 状态开关拨至“ 态，将 20状态开关拨至“ 态，  出从而使 触头闭合，驱动器 1 和驱动器 2 得电。按下 入端的“复位”按钮后， X 轴和 Y 轴将回到原位，整个系统处于归零工作状态。其中，  4 试验机已在原位设置了位置开 关，用于系统硬件归零。  若断开开关 失电，从而步进驱动器也会失电导致整个系统处于断电状态。  制面板的设计  由于步进电机不需要反馈电路，但是要注意工作台不能超过最大行程。因此，必须在 X、Y 轴的方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个：  （ 1） 防止工作台超过最大行程，使电机损坏；   （ 2）可以用与定位。所以这 4 个行程开关就充当了传感器。  人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力，一般要求操作简便，界面简洁明了。此系统中共有 2 个旋钮，其中一个较大的旋钮开关是用于用户选择是 X 轴或 Y 轴单独运动，还是选择同时控制两轴使其联动；另一个旋钮开关是调速的，因为本数控铣床是用于教学，故对调速开关进行了简化，只设置了低、中、高三档调速，通过设定不同的速度档位来控制步进电机的运转速度，从而 台的运动速度。  界面上的 6 个按扭一一对应其功能，用户一看就能明白，这里不再赘述。操作面板上还有一个报警灯，用于在系统出现故障，电机运行超出限位开关等紧急情况时闪烁报警，提醒用户紧急停止系统的运行，保障安全和及时挽回损失。 17 图 10  控制面板示意图   18 第五章  课程设计总结  本次课程设计对于 我们即将走出校门的大学生来说是非常重要的，也非常具有现实意义的。因为在设计的过程中，我们不仅能够巩固知识，锻炼我们的动手能力，也使我们了解到了当今世界的前沿技术。为以后我们在机械行业的工作积累了丰富的经验。  本次课程设计是步进电动机控制的两轴联动单元设计，主要是在数控技术基础等课程学习的基础上，强化训练开环伺服系统的机构设计、驱动电路原理设计等。旨在深化数控技术及其应用方面的基本知识和技能的掌握。  设计过程主要包括丝杠的计算、选择，工作台外形尺寸及重量初步估算，滚动导轨副的选择，步进电机的选择，三相六拍通电 方式的控制方案， X、 Y 两轴联动的机械结构装配图设计和硬件电路原理图设计。  在本次课程设计中，我主要负责控制系统硬件的设计。在设计过程中遇到了很多麻烦，在谭老师的悉心、耐心的指导下以及同学们的热心帮助下顺利的解决了这些问题，在解决问题的过程中我学到了许多，也改掉了身上的毛病，培养了我认真、严谨的工作态度。这次课程设计也为我的毕业设计打下了基础。在今后的道路上我要继续保持这种认真严谨的工作态度。  在本次课程设计过程中我意识到自身所