X502型立式铣床横向进给系统数控改造（PLC控制）

X502型立式铣床横向进给系统数控改造（PLC控制）一总体方案的确定 首先先查出X502的参数如下表： X520立式铣床主要参数机床用途：型立式铣床适用于加工中、小型零件的平面或成形表面，其使用范围如下：（）加工与主轴中心线平行的平面（）加工与主轴中心线垂直的平面（）利用主轴头的回转，加工具有一定斜度的平面（在度范围内）（）加工成形表面（）铣切沟槽机床特点：结构简单，有足够的强度和刚性，保险装置较完善，并有较多的主体运动速度和进刀速度，主要适合中、小型零件的加工，如采用某些附件或夹具，使用范围广泛。 技术参数主轴端面到工作台面的距离最大mm 最小30mm主轴中心线到床身垂直导轨的距离工作台的侧边到床身垂直导轨的距离最大mm 最小45mm工作台台面尺寸（长宽）750225工作台最大移动距离纵向（手动或机动）mm 横向（手动）150mm 升降（手动）300mm刻度盘一格的移动量纵向0.05mm 横向及垂直0.05mm刻度盘每转移动量纵向6mm 横向4mm 垂直3mm工作台上的T型槽数目3个T型槽宽度14mm主轴锥孔锥度7:24主轴孔直径24mm主轴头最大回转角度45度主轴头回转盘上的刻度值1度机床外形尺寸(长宽高)120011351630mm机床重量约1010kg主轴变速数8主轴转速47.5/67/95/132/190/265/375/530转/分主轴驱动功率1.45kw工作台纵向进刀数目8工作台纵向进刀量26/38/54/77/117/169/240/347mm/分进刀机构容许最大抗力1010kg主电机型号JO2-31-4型 功率2.2kw 转数1430r/min 电压220/380v冷却泵电机功率0.125kw 转数2800r/min 电压220/380v 工作台 将一台X502立式铣床改装成微机数控铣床，要求原机床的改动尽量少，以降低成本，提高性价比，根据这个要求保留原机床的主轴旋转运动以及纵向进给的机动部分。改造后的数控铣床要求结构简单、经济实用、易于推广普及，因此采用步进电机作为伺服元件，用来驱动纵横向工作台的进给运动。拆除机床上原有的纵横向丝杠螺母机构，改用步进电机和一对减速齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。下面为横向进给机构的机械部分改装设计。减速装置步进电机数控装置控制介质 X502铣床传动系统图二机械部分设计计算2.1.工作台横向进给部分改造设计2.1.1.脉冲当量、步距角和降速比的选择 脉冲当量，步距角，丝杠螺距t和降速比i之间的关系为 =ti360一般数控铣床取为0.01mm，=1.5，t=4mm，则减速比i为 i=t360=1.543600.01=1.672.1.2.切削力的估算 切削力由刀具的材料、铣削工具的材料、切削用量等许多因素决定。设计机床时从计算铣削力开始估算电动机的功率。对于现有机床的改造设计可以从已知机床的电动机功率和主轴上传递的功率反推出工作台进给时的铣削力。该机床的主运动和进给运动均用一个电动机。进给传动的功率较小，可以在主传动功率上乘以一个系数k，由机床设计手册查的铣床的k为0.85.主传动功率包括切削功率Pc，空载功率Pm0，附加功率Pmc三部分，即总功率 P=Pc+Pm0+Pmc空载功率是机床无切削负载时主传动系统空载所消耗的功率，对于一般的轻载、高速的中小机床，可达总功率的50%，现取Pm0=0.5P。附加功率Pmc是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率，它直接与载荷大小有关。可用下式计算，即Pmc=（1）Pc，所以总功率为 P=Pc+0.5P+（1）Pc则Pc=0.5P/(2)在进给传动中的切削功率 Pct=k0.5P/(2)主轴上的传动功率为1.45kW，电动机功率为2.2kw，则 =1.45/2.2=0.66 Pct=0.850.52.2/(20.66)=0.698（kw）切削时主轴上的转矩为 Tn=955000Pct/n (Ncm)主轴上的转速有8种，现有最低转速n=47.5r/min代入，则主轴上最大转矩为 Tn=9550000.698/47.5=14033 (Ncm)铣刀的最大直径为32mm，主切削力Fz=14033/3.2=4385N2.1.3.计算各切削分力依据数控技术课程设计中表2-1工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值知：铣削条件为立铣时，逆铣状态下F1/FZ=（1.001.20）、Fv/FZ=（0.200.30）、Fc/Fz=(0.350.40)故可得工作台横向切削力Fc、纵向切削力F1和垂向切削力Fv分别为Fc=0.35Fz=0.354385=1535NF1=1.00Fz=1.004385=4385NFv=0.20Fz=0.204385=877N2.2.滚珠丝杠设计计算和选择 依据机电一体化系统设计中滚珠丝杠副的选择方法：在选用滚珠丝杠副时，必须知道实际的工作条件：最大的工作载荷Fmax（或平均工作载荷Fcp)(N)作用下的使用寿命T（h）、丝杠的工作长度(或螺母的有效行程)l（mm）、丝杠的转速n（或平均转速ncp）（r/mim）、滚道的硬度HRC及丝杠的工况，然后按下列步骤进行选择。2.2.1承载能力的选择 计算作用于丝杠轴向最大动载荷FQ（N），然后根据FQ值选择丝杠的型号。 FQ=fHfWFmax式中 L：滚珠丝杠寿命系数（单位为106转，如1.5则为150万转），L=60nT/106(其中T为使用寿命时间，h)，普通机械为500010000、数控机床及其他机电一体化设备及仪器装置为15000、航空机械为1000； fW：载荷系数（平稳或轻度冲击时为1.01.2，中等冲击时为1.21.5，较大冲击或振动时为1.52.5）； fH：硬度系数（HRC58时为1.0，等于55时为1.11，等于52.5时为1.35，等于50时为1.56，等于45时为2.40）。 首先进行工作载荷的计算,对矩形导轨工作时的轴向力： F=（W+fg+Fv+F1） N式中：W坐标轴上移动部件的全部重量（包括机床夹具和工件的重量，N）； 摩擦系数，随导轨形式不同而不同，对于贴塑导轨，=0.15；对于滚动直线导轨，=0.01； fg镶条紧固力（N），其推荐值可查表23.依据导轨形式和主电机功率2.2kW贴塑导轨选定fg为500 对于W值由于工作台质量约为100kg，其余未给定，故只能大概给定W=1000N.则 F=（W+fg+Fv+F1） =0.15（1000+500+4385+877） =1014.3N计算最大轴向负载力Fmax。 Fmax=Fc+ F=（1535+1014.3）N=2549.3N故其寿命值 其中：使用寿命时间T取15000小时， 进给速度V值的选取V=0.4m/min. L0前边已经选取4mm。 故=10000.4/4=100r/min则=6010015000106=90因此 FQ=fHfWFmax可以计算，其中fH选择为1，fW选择为1.2故： FQ=fHfWFmax =11.22549.3 = 13709.3N 依据计算所得最大动载荷的值以及前边的基本导程查数控技术课程设计表A-3常用滚珠丝杠型号及参数表选取FFZD3204-5公称直径d0=32，基本导程L0=4，丝杠外径d1=31.1，钢球直径DW=3，丝杠底径d2=28.9，动载荷Ca=15kN，静载荷Coa=46.5kN，刚度K=1340(N/m).2.2.2.效率计算 滚珠丝杠副传动效率： 其中螺旋升角：，其中为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004，其摩擦角约等于10.故 = =0.93满足滚珠丝杠副效率要求。2.2.3.刚度验算 丝杠的拉压变形量 式中:A-滚珠丝杠的截面面积， =655.97mm2 Ph-丝杠导程，Ph=4mm; E-弹性模量，.故滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量2很小，可忽略，因此导程变化总误差为 =18.5m/m;查表知选用F级精度滚珠丝杠允许的螺距误差为30m/m，故刚度足够。2.2.4.稳定性验算失稳时的临界载荷FK 式中:E为丝杆材料弹性模量,对钢I为截面惯性矩,对丝杆圆截面为丝杆底径, L为丝杆最大工作长度,横向查参数取L=150mm 为丝杆支承方式系数取=2.0则有:稳定安全系数： 则有 选丝杆稳定安全系数，故满足稳定性要求。2.2.5.确定滚珠丝杠副支撑轴承 根据滚珠丝杠对轴承的要求，用于滚珠丝杠的轴承应具有较大的接触角。600接触角推力角接触球轴承就是较好的与滚珠丝杠配套的专用轴承。它的特点如下：接触角大，保持架用增强尼龙注塑成形，可容纳较多的钢球，因此轴向承载能力大，刚度高；既能承载轴向载荷，又能承受径向载荷，故支承结构可以简化；根据载荷情况，轴承可以进行各种组合；这种轴承是根据规定的预紧力组配好成组供应的，用户不需要自己调整；启动摩擦力矩小，可以降低滚珠丝杠副的驱动功率，提高进给系统的灵敏度。推力角接触轴承的组配方式有多种。基本的组配方式有三种：背靠背，面对面和串联（同向）。这里选择面对面组配即DB方式。两端固定的支承形式，轴承内径d应略小于丝杆底径d2=28.9mm.故依据数控技术课程设计表A-2滚珠丝杠专用球轴承角接触球轴承选择760205TNI。d=25，D=52，B=15.2.2.6.确定滚珠丝杠螺母副的螺纹长度Ls Ls=Lu+2Le+2Lc式中：Lu有效行程（mm），Lu=行程+螺母长度； Le安全行程（mm），Le=5L0； Lc余程（mm），Lc=2L0。故有 Ls=Lu+2Le+2Lc =150+92+40+16 =298mm2.2.7.确定滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离L=行程+安全行程+2*余程+螺母长度+支承长度 行程+L0取 L=1.4*行程+30L0 =（1.4*150+30*4）mm =330mm2.3.步进电机设计计算和选择2.3.1脉冲当量、步距角和降速比的选择 脉冲当量，步距角，丝杠螺距t和降速比i之间的关系为 =ti360一般数控铣床取为0.01mm，=1.5，t=4mm，则减速比i为 i=t360=1.543600.01=1.672.3.2步进电动机转轴上启动力矩的计算 式中：脉冲当量，mm；0. F铣削进给抗力，N； 摩擦因数； G工作台及工件夹具总重力，N； FfN垂直分力，N； 总机械效率。取=0.66， =0.2，G=1000N，则 = =275.5 2.3.3.最大静转矩的计算 对于工作方式为三相六拍的步进电机，最大静转矩与启动力矩的关系为 则步进电机的最大静转矩为 =318（）2.3.4.确定步进电机的最高工作频率 =0.03m/s，n=750r/min =10000.03/0.01=3000（HZ）根据计算数据，综合考虑，查表选用110BF003步进电动机。110BF003型反应式步进电机采用三相六拍工作方式。2.4.横向减速齿轮的选用根据前面确定的步距角=1.5，脉冲当量=0.01mm，以及滚珠丝杠螺距t=4mm，得到减速齿轮的传动比 i=t360=1.54/3600.01=1.67。取齿轮的模数m=2.5.齿宽系数=0.45，齿轮齿数z1=18，则z2=z1*i=30。 齿轮分度圆直径d1=m*z1=45mm，d2=m*z2=75mm，中心距a=，b=*d1=20mm。圆整后B2=20，B1=25。小齿轮材料选用40Cr调质处理，大齿轮采用45钢调质处理。2.5.导轨设计或者改造 导轨采用矩形导轨，矩形导轨结构简单，制造、检验和修理方便，导轨面较宽，承载能力大，刚度高，故应用广泛。为防止爬行现象的出现，故采取贴塑措施。 贴塑导轨不仅可以满足机床机床对导轨的低摩擦、耐磨、无爬行、高刚度的要求，同时又具有生产成本低、应用工艺简单、经济效益显著等特点。贴塑导轨是通过在滑动导轨面上镶粘一层由多种成分复合的塑料导轨软带，来达到改善导轨的目的。这种导轨的共同特点是摩擦因数小，且动、静摩擦因数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、抗撕伤能力强；加工性和化学稳定性好，工艺简单，成本低，并且有良好的自润滑和抗震性。因此，在数控铣床中应用广泛。三控制系统设计3.1整体分析 由于工作台精度要求比较高，机械装置采用滚珠丝杠做传动装置，伺服控制系统使用开环控制伺服系统，伺服控制系统是数控机床的重要组成部分。它由伺服驱动电路、伺服驱动装置(电机)、位置检测装置、机械传动机构以及执行部件等部分组成。它的作用是：接收数控系统发出的进给位移和速度指令信号：由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置(直流、交流伺服电机、直线电机、功率步进电机、电液伺服阀一液压马达等)和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴等执行部件进行工作进给和快速进给。数控机床的进给伺服系统与一般机床的进给系统有本质上的差异，它能根据指令信号自动精确地控制执行部件运动的位移、方向和速度，以及数个执行部件按一定的规律运动以合成一定的运动轨迹。进给伺服系统的性能，如最高移动速度、跟踪精度、定位精度等动态和静态性能，在很大程度上决定了数控机床的加工精度、加工表面质量和生产效率。 数控进给伺服系统的性能取决于它的各个组成环节的特性，也取决于系统中各环节性能参数的合理匹配。以伺服驱动电路与伺服驱动装置为中心的伺服驱动系统已有较成熟的理论分析、实验研究和设计计算方法。机械传动机构以及整体进给伺服系统在性能参数方面的研究，近年来也受到重视，并进行了不少的工作。这些工作都有效地促进了进给伺服系统技术性能的提高。 开环系统是最简单的进给系统，如下图所示。这种系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，驱动步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。这种系统不需要对实际位移和速度进行测量，更无需将所测得的实际位置和速度反馈到系统的输入端，与输入的指令位置和速度进行比较，故称之为开环系统。系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度、齿轮丝杠等传动元件的导程或节距精度以及系统的摩擦阻尼特性。此类系统的位移精度较低，其定位精度一般可达0.02 mm。如果采取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可提高到0. 0l mm。此外，由于步进电机性能的限制，开环进给系统的进给速度也受到限制，在脉冲当量为0.0lmm时，一般不超过5mmin。 图 开环控制系统 开环进给系统的结构较简单，调试、维修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。在一般要求精度不太高的机床上曾得到广泛应用。20世纪60年代，日本生产的数控机床几乎全部采用功率步进电机和电液脉冲马达的开环进给系统。20世纪70年代初我国也曾仿造过这种开环进给系统的数控机床。但是欧美等国却很少采用开环进给系统。进入20世纪70年代中期，日本生产的数控机床也改用了直流或交流伺服电机的半闭环和闭环进给系统。 步进电动机是一种将脉冲信号变换成角位线（或线位移）的电磁装置，步进电机的角位移量和角速度分别与指令脉冲的数量和频率成正比，在时间上与输入脉冲同步，而且旋转方向决定于脉冲电流的通电顺序。因此只需控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电顺序，便可控制执行部件位移、速度和运动方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于自锁状态。步进电动机按其输出扭矩的大小，可分为快速步进电动机与功率步进电动机；按其励磁相数可分为三相、四相、五相、六相；按其工作原理可以分为永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）。 步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进伺服的性能提高到一个新的水平。 X502铣床可用于平面、斜面和沟槽等加工，安装分度头后可铣切直齿轮、螺旋面，使用圆工作台可以铣切凸轮和弧形槽，是一种多功能、高效率、应用广泛的机床。经过多年运行，机械部件往往性能良好，电气控制部分由于触点多、动作复杂，故障率越来越高，故障发生时维修量大，时间长，影响生产和机械使用率。铣床是一种高效率的加工机械, 在机械加工和机械修理中得到广泛的应用, 铣床的操作是通过手柄同时操作电气与机械, 以达到机电紧密配合完成预定的操作, 是机械与电气结构联合动作的典型控制, 是自动化程度较高的组合机床。但是在电气控制系统中, 故障的查找与排除是非常困难的, 特别是在继电器接触式控制系统, 由于电气控制线路触点多、线路复杂、故障率高、检修周期长, 给生产与维护带来诸多不便,严重地影响生产。本文所述方案是对原来的继电器接触式模拟控制系统进行PLC 改造而成, 经实际运行证明该PLC控制系统无论是硬件还是软件, 控制稳定可靠, 具有极高的可靠性与灵活性, 更容易维修更能适应经常变动的工艺条件, 取得了较好的经济效益。 PLC以其可靠性高，抗干扰能力强，编程简单，使用方便可靠等特点，在机械制造业得到了广泛的应用。选用三菱公司的FX2N32MR可编程序控制器对X502铣床的电气控制系统进行改造，克服了原有缺点，提高了自动化程度，效果良好。步进电动机是一种用电脉冲进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移的电动机。步进电动机每输入一个电脉冲就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，它在自动控制系统中作为执行元件使用。三相步进电动机控制的要求为能对三相步进电动机的转速进行控制；可实现对三相步进电动机的正、反转控制；能对三相步进电动机的步数进行控制。3.2系统配置3.2.1.FX2N-32MR型PLC选用 根据实际情况，在铣床的电气改造过程中，保留原有的机械操作不变，将原来继电器控制的线路用PLC 控制系统取代，本文采用三菱公司的FX2 16作为控制器，它输入点数为16 点，输出点数为16 点。FX2N是FX 系列中功能最强、速度最快的微型可编程序控制器。它的基本指令执行时每条指令高达0.08s，用户存储器容量可扩展到16 KB，I/O点最大可扩展到256点，有多种特殊功能模块，有多种RS232/RS422/RS485串行通信模块或功能扩展板，可实现模拟量控制、位置控制和联网通信功能。用户程序容量32 KB满足机床6点输出、14点输入的要求。PLC的供电电源由隔离变压器提供，这样可以减少电网波动或噪声对PLC 的干扰。3.2.2.电动机选用 110BF003型三相六拍反应式步进电动机一台。3.2.3.PLC I/O配置及接线图 根据对三相步进电动机控制的要求，I/O配置及接线图如图所示。 3.3程序设计工作台运动均有限位保护，由机械方法实现。三相步进电动机转速的控制分慢速、中速和快速三档，分别通过开关S1、S2和S3选择；正反转控制通过开关S4选择；步数控制分单步、10步和100步三档，分别通过按钮SB、开关S6和S7选择。3.3.1.转速控制由脉冲发生器产生不同周期T的控制脉冲，通过脉冲控制器的选择，再通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，其接通顺序为TTTTTY0 Y0、Y1 Y1 Y1、Y2 Y2 Y2、Y0T该过程对应于三相步进电动机的通电顺序为TTTTT U U、V V V、W W W、UT选择不同的脉冲周期T，可以获得不同频率的控制脉冲，从而实现对步进电动机的调速。3.3.2.正反转控制 通过正反转驱动环节（调换相序），改变Y0、Y1和Y2接通的顺序，以实现步进电动机的正反转控制，即 正转：Y0 Y0、Y1 Y1 Y1、Y2 Y2 Y2、Y0 反转：Y1 Y1、Y0 Y0 Y0、Y2 Y2 Y2、Y13.3.3.步数控制通过脉冲计数器，控制六拍时序脉冲数，以实现对步进电动机步数的控制。三相步进电动机的梯形图如图所示。3.4.调试运行程序3.4.1.转速控制选择慢速档（接通S1），接通启动开关S0，脉冲控制器产生周期为1S的控制脉冲，使M0M5状态随脉冲向右移位，产生六拍时序脉冲，并通过三相六拍环形分配器使Y0、Y1和Y2按照单双六拍的通电方式接通，步进电动机开始慢速步进进行。3.4.2.正反转控制 先接通正反转开关S4，再重复上述转速控制操作。3.4.3.步数控制 先选择慢速档（接通S1），再选择10步（接通S6），接通启动开关S0，六拍时序脉冲、三相六拍环形分配器开始工作，计数器开始计数。当走完预定步数时，计数器动作，其常闭触电断开移位驱动电路，六拍时序脉冲、三相六拍环形分配器及正反转驱动环节停止工作，步进电机停转。3.5.可编程序控制器的应用 在机械制造业中，PLC得到了非常广泛的应用，特别是数控机床都或多或少的使用了PLC作为开关量的控制。除了数控机床，其它的加工设备目前也在越来越多的采用PLC进行控制，例如组合机床、各种自动化生产线等都使用了PLC控制。 数控机床使用的PLC可分为两类：一类是为“内装型”PLC；另一类是“独立型”PLC。 随着科学的发展与技术进步,人们对现代企业的生产设备提出了更高的要求。企业为满足这种需求,靠完全淘汰旧机床购置现代化新机床几乎不可能,而且也没必要,因为这样做势必会造成旧机床的闲置与浪费,同时也会因购置新数控机床导致更大的资金开支。近年来数控系统发展迅速,且质量稳定可靠、精度较高、性能价格比高,市场上数控机床的零配件供应及时。机床数控化改造可以在对机床不做大的变动和投资较小的情况下,增加数控装置和电气伺服系统,使普通机床具备数控机床的功能。 改造前应对原机床各部分进行保养和改造前的准备，具体内容如下:（1）原机床的全面保养 机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析用。（2）保留的电气部分最佳化调整 若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。（3）合理安排新系统位置及布线 根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、线路走向和固定、调整元器件位置、密封及必要装饰等。连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保连线工艺规范、线径合适、正确