X5025立式升降台铣床的数控改造设计【含CAD图纸、说明书】
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X5025立式升降台铣床的数控改造设计
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X5025立式升降台铣床设计
X5025 立式升降台铣床
X5025立式升降台铣床的数控改造
立式升降台铣床改造
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目 录第一章 前言41.1 概述41.2 普通铣床数控化改造的条件41.3 普通铣床数控化改造的一般步骤4第二章 总体方案的确定6第三章 主传动系统设计73.1 确定主轴传动功率73.2 电动机的选择83.3 主传动的调速过程8第四章 伺服进给传动系统设计104.1 滚珠丝杠螺母副的设计和选用104.1.1滚珠丝杠螺母副的计算104.1.2 滚珠丝杠的安装164.1.3 滚珠丝杠螺母副的支承方式164.2轴承的选用和计算174.2.1轴承的载荷计算174.2.2轴承的派生轴向力计算194.2.3轴承的轴向载荷计算194.2.4轴承的当量动载荷计算194.2.5验算两轴承的寿命204.3同步带轮传动的设计和计算204.3.1确定梯形齿同步带轮的基本参数204.3.2确定带的中心距214.3.3选择带的类型224.4电机的选择和计算224.1.1确定电机的类型224.4.2伺服电机的计算234.4.3电机的安装25第五章 数控铣床的PLC控制265.1 电气接口265.2 铣床的安全互锁27第六章 数控机床的润滑系统296.1 润滑的作用296.2 数控铣床的润滑系统29小结30参考文献31摘要本文对一台普通铣床进行数控化改造，在改造后要达到高的静、动刚度；传动副之间的摩擦系数小，反向传动无间隙；输出转矩大等要求。对主传动部分不作太大的变动，保留原有传动链，为了满足调速范围和转矩特性，采用调速电机的无级变速和机械的有级变速相结合的配置方式。进给传动需作较大改动才能满足数控加工的要求，文中对滚珠丝杠、电机的选用等方面进行了详细的设计分析。通过对铣床的数控改造设计，对机床的机械结构有了进一步的感性认识，为以后的发展作了铺垫。关键字数控改造 主运动 伺服进给系统 滚珠丝杠第一章 前言1.1 概述随着现代工业的迅猛发展，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求，数控机床已成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志。目前大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是普通机床，机床数控化比较低。如果大量添置全新的数控机床，不仅资金投入量大、成本高，而且又会造成原有设备的闲置浪费。把普通机床改造为数控机床则不失为一条提高数控化率的有效途径。普通机床的数控化改造，就是在机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。这种机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原有机床的缺点和存在的问题，生产效率高。在实际生产中铣床的应用十分广泛，主要用于加工平面或成形表面。例如，在立式铣床上加工圆弧、凸轮一类的平面曲线时，就要借助于圆工作台、分度头等机床附件，并对机床进行相应调整。加工精度较低，机床调整困难。所以对铣床进行数控化改造的实际应用有很多，改造的目的一方面提高加工精度，另一方面可以利用数控方法加工任意圆弧面和凸轮的曲面。1.2 普通铣床数控化改造的条件并不是所有的旧机床都适合于数控改造。改造的机床应具备如下几个条件：（1）机床基础件必须有足够的刚度数控机床属于高精度机床，要求有很高的移动精度。通常闭环系统的脉冲当量为0.001mm，开环系统的脉冲当量为0.005mm或0.01mm。高的定位精度和轮廓加工精度要求机床的基础件具有很高的动、静刚度。基础件刚性不好则受力后容易变形，且这种变形具有很大的不确定性，无法用数控系统中的补偿功能进行补偿。因此，基础件刚性不好的机床不适宜改造为数控机床。（2）改造费用合适、经济性好机床改造费用分为机床和电气两部分。一方面是维修和改动原有机床部分，更换已磨损的部件；另一方面是更换原有机床控制柜，用新的数控系统和强电装置代替。改造费用与原有机床零件的利用多少有关，也与采用何种控制系统有关。由于经济上的考虑，目前通常采用步进驱动的经济型数控系统进行机床改造。改造总费用多少才算合适要因用户而异。一般来说，不超过同类规格设备价格的一半，在经济上就算合适。1.3 普通铣床数控化改造的一般步骤（1）旧机床的设备选型通常对一台旧机床，是否需要进行数控化改造，首先应对设备进行基础估价，这也就是设备选型。以判断该设备是否具有改造价值，改造后能不能满足要求，改造成功的可能性等，这些都与设备的选择密切相关，所以选型是设备改造的首要环节。（2）确定改造的技术方案设备选择确定后，就要制定、落实明确的技术改造方案。通常需要从以下两个方面论证；一是明确该设备改造后的加工对象及预期目标；二是资金投入的估算。上述两项的确定，最好综合考虑，因为投入的改造费用主要与以下几点有关。数控系统的选择。机床本身固有几何精度的修复及保养。机床电器及附件的更换。机床辅助系统（主轴系统、液压系统、冷却系统等）的维修及保养。机床外观质量的修复。机床改造的技术劳务费用。机床改造后的综合调试、检测、参数补偿等。（3）改造前的准备工作技术改造方案确定以后，应对机床进行检测，若机床精度低，就必须对机床本身的精度进行恢复。主要有两方面：一是机械进度的恢复；二是电气部分的恢复。如主轴精度的恢复、机床导轨精度的恢复（平行度、垂直度等），以提高传动精度和效率。对机电系统、液压系统、机械接口进行测绘、设计、制造、修复、保养。同时要做好对改造机床机械及电气部分的准备工作，如数控系统及相应配置的准备、机械改造条件（传动箱连接件、滚珠丝杠等）的准备。（4）机床的改造包括对机床改造部分的现场施工、安装和连接；机床联调实验；机床及控制系统各部分功能联动实验；工作可靠性运行；机床定位精度、重复定位精度、各种补偿功能的调试；机床的加工切削实验。（5）改造完成后的验收一般验收要做以下工作：外观检查、机床及系统的各种功能检测、机床精度检测（定位精度、重复定位精度等）、机床的负荷实验、标准试件的切削、典型零件的加工等。第二章 总体方案的确定将一台X5025型立式升降台铣床改造成数控铣床，改造目的主要能完成铣、镗、钻等切削运动，能在没有模板的情况下完成凸轮、样板、模具等形状复杂零件加工。所要达到的技术要求：主轴转速80 r/min-5440 r/min，为提高其自动化程度，或者批量相对集中，需在加工过程中自动变换切削速度。如何将机械传动的进给改造成数控系统控制的自动进给，还应具有更好的精度要求。驱动部件具有高性能，伺服电机要可靠，输出力矩要大，高低速性能要好，系统具备手动回机械零点功能，机床的定位精度和重复定位精度要高，能在不需要模具的情况下能确保零件的加工精度。为了满足主传动的要求，需更换原有的主轴电机；对进给系统而言，将原来的手动进给的手柄、刻度盘、轴承、轴承支座、普通丝杠、螺母支座等零件拆除。为了满足高的定位精度和重复定位精度，需将在原来的导轨表面粘接聚四乙烯软带，对其表面还要进行铲、刮，才能到达所需的精度要求。第三章 主传动系统改造设计对普通铣床进行数控改造时，为提高其自动化程度，或者批量相对集中，需在加工过程中自动变换切削速度，可用双速电机代替原铣床的主电动机。一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动的电气无级调速。但由于数控铣床的运动调速范围较大，单靠调速电机无法满足这么大的调速范围，另一方面调速电机的功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。为扩大调速范围，适应低速大转矩的要求，也可以用齿轮有级调速和电动机的无级调速相结合的调速方式，以满足机床要求的调速范围和转矩特性。3.1 确定主轴传动功率数控铣床的加工范围一般都比较大，所传动的额定功率可以根据典型切削工艺的情况计算，根据设计的铣床主要的加工范围，查机床设计手册确定如下典型加工工艺：用高速刚圆柱平刀铣削灰铸铁工件平面，刀具直径D=100，刀齿数为5，工件材料为HT200，硬度190HBS，切削速度=20.5，进给速度为120，背吃刀量5，切削宽度为65。 =式中 n主运动的转速（） v切削速度（） D刀具的最大直径（）代入数值得：=65rmin则每齿进给量0.18根据典型切削工艺公式： P切2.8B式中： t切削厚度，即被吃刀量（） 每齿进给量（） B切削宽度（） Z刀具齿数 HB材料硬度代入数值得： P切=2.850.0037565103200 =1760W=1.76KW主传动的总效率一般可取为=0.700.85,数控机床的主传动多用调速电机和有限的机械变速传动实现，传动链较短，因此效率可取较大值，由此可求得主轴传递的功率为：P=2.2kw3.2 主轴电动机的选择现在数控铣床常用的无级变速机构为直流或交流调速电动机。本设计中采用交流调速电动机，它是靠调节供电频率的办法调速。因此，常称为调频主轴电动机。这种电机的功率、转矩特性见图3-1。通常，额定转速为1500，额定转速向上至最高转速为恒功率，如图所示区域；额定转速至最低转速为恒转矩，如图所示区域。图3-1交流电动机的功率、转矩特性恒功率区；恒转矩区这种电机由于体积小，转动惯性小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流电动机高，磨损和故障也少。现在，在中、小功率领域，交流调速电动机占优势，应用更加广泛。3.3 主传动的调速过程为了实现数控铣床的无级变速，本机床的主轴电机采用双速电机，通过双速开关可实现主轴正转高速，低速和反转高速，低速四档功能，而每一种功能状态下，又可通过机械齿轮变速达到调整的目的。当手柄处于OUT时离合器脱离，主电动机由宝塔式带轮带动同步带轮进行减速再经小齿轮和大齿轮减速带动主轴旋转；当手柄处于IN时离合器吸合，小齿轮和大齿轮脱离，主电动机由宝塔式带轮直接带动主轴旋转，从而达到调整的目的。第四章 伺服进给系统的设计根据设计的目的，将原来的手动进给改换成由电机经同步带轮带动丝杠进行控制，为提高传动精度和工作平稳性将普通丝杠改换成滚珠丝杠传动。与普通丝杠相比滚珠丝杠具有以下优点：摩擦力低及效率高，其传动扭矩只有普通丝杠的1/3，所以滚珠丝杠的机械效率远高于普通丝杠，即使在低速情况下也不会出现爬行现象。滚珠丝杠可以完全消除丝杠与螺母之间的间隙并可实现滚珠的预紧，因而轴向刚度高，反向时无空行程，定位精度高。与普通丝杠相比，滚珠丝杠的使用寿命是普通丝杠的410倍。根据铣床的机械结构特点和加工需要，选择内循环方式的滚珠丝杠，其内循环滚珠的回路短，滚珠数目少，流畅性好，摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸紧凑，轴向刚度高。4.1 滚珠丝杠螺母副的设计和选用4.1.1滚珠丝杠螺母副的计算本文所改造的铣床需将三个轴都用数字控制，对X、Y、Z向的滚珠丝杠都要进行计算与分析，滚珠丝杠螺母副是将电机的旋转运动转化为工作台的直线运动。首先计算X向的滚珠丝杠，对其进行分析。（1）工作台X向进给部分的改造计算1）切削力的估算切削力由刀具的材料、铣削工件的材料、切削用量等许多因素决定。但还可以从已知机床的电动机的功率和主轴上传动的功率反推出工作台进给时的铣削力。该机床进给传动的功率较小，可在主传动功率上乘以一个系数k。由机床设计手册查得铣床k为0.85。主传动功率包括切削功率，空载功率，附加功率三部分，即总功率：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，对于一般轻载、高速的中、小型机床，可达总效率的50%，现取。附加功率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，所以总功率为则在进给传动中的切削功率主轴上的传动功率为1.45KW，电动机功率为2.2KW，则（KW）切削时主轴上的转矩为（Ncm）主轴上的转速有8种，先用最低转速n=80代入，则主轴上最大转矩为（Ncm）铣刀的最大直径为32，主切削力（N）。铣削加工时铣削进给力与主切削力之间的比值由机床设计手册查得1.01.2，取1，则=2852N，垂直分力与主切削力之间的比值为0.750.8，取0.75，则=0.752852=2139（N）2）滚珠丝杠承载能力的计算当量动载荷选用滚珠丝杠直径时，必须保证丝杠工作时，在一定的轴向载荷作用下，丝杠在运转转后，在它的滚道上不产生疲劳点蚀现象。这个轴向负载的最大值即为该滚珠丝杠副所能承受的最大当量动载荷。燕尾形导轨：式中、切削分力（N）；W移动部件的重量（）；导轨上的摩擦因数K 考虑颠覆力矩影响的实验系数。本文中机床导轨为燕尾滑动导轨，表面粘接聚四乙烯软带，查机械设计手册可取K=1.4 =0.04，工作台质量，工件与夹具的最大质量为。将数据代入式中：1.428520.04（2213928523509.8）=4415.2N=（1/21/3）=（1/21/3）0.35=0.120.175取=0.15丝杠平均转速：=25式中最大切削力下的进给速度（）滚珠丝杠导程（）工作寿命，单位为r：=22.5则=13.48（KN）式中运转系数，无冲击取1.21.5，有冲击取1.52.5；精度系数，精度为1、2、3级时=1，精度为4、5、6级时=0.9；轴向平均载荷（N）查滚珠丝杠产品样本中与相近的额定动载荷，使得，然后由此确定滚珠丝杠副的型号和尺寸。查滚珠丝杠产品样本，选择=14.318 KN,丝杠直径为32，导程为6，初步选择丝杠型号为FZ3206-3-P3903/1060。最大静载荷当滚珠丝杠在静态或低速情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是滚珠与滚道型面在接触点上产生塑性变形，当塑性变形超过一定限度就会使滚珠丝杠无法正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。此时的轴向负载称为额定静载荷。选用时应使相应的滚珠丝杠的额定静载荷满足如下条件：式中滚珠丝杠的最大轴向工作载荷；静态安全系数。一般=12，当有冲击时=23。所选丝杠的静载荷为40.699 KN，=2，代入式中得：=40.699/2=20.3495 KN而=4900N远远小于额定静载荷，满足上述条件。稳定性验算细长丝杠在受压缩载荷时，不会发生失稳的最大压缩载荷为临界载荷（N）32-1.23.175=0.028（m）式中 丝杠公称直径，m滚珠直径，m14500(N)式中丝杠底径，m丝杠最大受压长度，m丝杠的支承方式系数，见表4-3表4-3 滚珠丝杠的支承方式系数支承方式一端固定一端自由（F-O）两端浮动（S-S）一端固定一端游动（F-S）两端固定（F-F）0.251.002.004.00而=3458.4（N），满足条件：临界转速 对于高速长丝杠有可能发生共振，需验算临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速。4439（）式中丝杠支承方式系数临界转速计算长度，自由端或浮动端到螺母的最大距离（m）丝杠的最大转速3000，符合条件。根据上述验算此型号滚珠丝杠符合要求，因此X向滚珠丝杠选择型号为FZ3206-5-P3903/1060。（2）工作台Y向进给部分的改造计算对于Y向的滚珠丝杠的计算与X向基本相同。首先对切削力进行估算，然后根据当量动载荷和最大静载荷初选滚珠丝杠的型号，最后对所选型号的滚珠丝杠进行刚度验算。若符合要求就选定此型号滚珠丝杠，若不符合要求则按上述步骤进行重新选择。上面已经对切削力进行了估算，这里就不需要重复计算。接下来就计算当量动载荷和最大静载荷初选滚珠丝杠的型号。Y向移动部件的重量不仅包括工作台、夹具和工件的质量，还需加上床鞍的重量。所以W=（100+250+45）9.8=3871（N）机械设计手册可取：K=1.4 =0.04轴向平均载荷： =1.428520.04（2213928523871） =3992.8+480.04 =4472.84（N）最大切削力下的进给速度：=（1/21/3）=（1/21/3）0.35=0.120.175取=0.15丝杠平均转速：=25工作寿命，单位为r：=22.5运转系数，无冲击取1.21.5，有冲击取1.52.5；精度系数，精度为1、2、3级时=1，精度为4、5、6级时=0.9；查机械设计手册得：=1.2 =1则=13.659（KN）查滚珠丝杠产品样本中与相近的额定动载荷，使得，然后由此确定滚珠丝杠副的型号和尺寸。查滚珠丝杠产品样本，选择=14.318 KN,丝杠直径为32，导程为6，初步选择丝杠型号为FZ3206-5-P3450/530。最大静载荷所选丝杠的静载荷为40.699 KN，查机械设计手册得：=2，代入式中得：=40.699/2=20.3495 KN而4900N远远小于额定静载荷，满足。稳定性验算细长丝杠在受压缩载荷时，不会发生失稳的最大压缩载荷为临界载荷（N）丝杠底径：32-1.23.175=0.028（m）查表4-3得：=2临界载荷：14500(N)而=3458.4（N），满足条件：临界转速 对于高速长丝杠有可能发生共振，需验算临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速。查手册得：=3临界转速：4439（）丝杠的最大转速3000，符合条件。到此完成Y向滚珠丝杠的计算，经验算此型号滚珠丝杠符合要求，因此Y向滚珠丝杠选择型号为FZ3206-5-P3450/530。（3）Z向进给部分改造计算根据X、Y向滚珠丝杠的计算过程，可推出Z向滚珠丝杠的型号。在这里Z向滚珠丝杠就不作详细的计算，同理可得Z向滚珠丝杠的型号为FZ4005-5-P3198/284。4.1.2 滚珠丝杠的安装为了满足加工精度的要求，对原来X、Y向滚珠丝杠共用一个螺母座，这样放置要达到所需的加工精度很困难。需将X、Y向滚珠丝杠各配置一个螺母座，Y向滚珠丝杠还放置在原来的位置上；X向滚珠丝杠在导轨靠右边安放。在安装前首先要选好测量精度的仪器，这里选择丝杠表。在安装X向丝杠时轴承是已经安装好的，把丝杠装进轴承里把先调试好的挂角用螺钉预紧。由于机床在工作时主要以导轨面作为行为轨迹，所以在调试丝杠时采用滑块作为移动体。把丝杠表粘和在滑块上以导轨面作为基准面，移动滑块把表针对准丝杠慢慢移动滑块。按照国家的机床安装标准丝杠误差范围在0.02以内。在校对丝杠时主要从两个方面检测：一是丝杠的上母线，此时的表针因该与丝杠上母线是垂直状态；二则是从丝杠的侧母线考虑。在使用丝杠表时要灵活地应用，旋转丝杠表要使表针与丝杠处于正确的接触点。来回移动滑块观察丝杠表的走针情况，并切用铜棒轻轻敲击达到误差的精度在0.02范围之内，然后开始固定挂角从而达到固定丝杠。用同样的方法可以安装固定好Y、Z轴。4.1.3 滚珠丝杠螺母副的支承方式为提高传动刚度，选择合理的支承结构并正确安装很重要。滚珠丝杠主要承受轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重，因此滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求较高。常见的丝杠安装有以下几种形式：图4-2 滚珠丝杠支承方式根据改造设计要求X、Y向滚珠丝杠较长且卧式安装，还为了防止热变形造成丝杠伸长。因此X、Y向滚珠丝杠支承方式采用一端轴向固定，一端浮动的支承方式，如图4-2(c)所示。这种支承形式的特点是：安装时需保持螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难；丝杠的轴向刚度和一端固定，一端自由的相同；压杆稳定性和临界转速比同长度的一端固定，一端自由的高；丝杠有热膨胀的余地即丝杠固定端承受径向力和两个方向的轴向力，而另一端只承受径向力，并能作微量轴向浮动。而Z向滚珠丝杠较短、行程小、转速较低且竖直安放，为满足上述要求。Z向滚珠丝杠支承方式采用一端轴向固定，一端自由的方式，如图4-2(a)所示。这种支承形式结构简单，但丝杠的轴向刚度不高。4.2轴承的选用和计算本文所设计的轴承主要用于滚珠丝杠的支承，在承受轴向载荷的同时，还承受不太大的径向载荷。首先以X向轴承为例，根据滚珠丝杠的支承方式，一端选用单列角接触轴承的背对背的组合方式，另一端选用圆柱滚子轴承。查轴承手册得：7006C型轴承基本额定动载荷Cr=15.2KN，=10.2 KN。 7006AC型轴承基本额定动载荷Cr=14.5KN，=9.85 KN。4.2.1轴承的载荷计算（1）确定径向载荷=1.82 （KN）图4-3 支承结构（2）由值查图4-4，找出相应的值。查表得到此型号轴承即0.961.05查图可知：=0.3=14图4-4 与之对应值（3）确定径向载荷=1.85（KN）4.2.2轴承的派生轴向力计算查机械设计手册得，单列角接触轴承的派生轴向力为S=，则=0.51.82=0.9KN=0.51.85=0.925KN4.2.3轴承的轴向载荷计算轴承外加的轴向力=2KN+=0.925+2=2.925KN所以轴承被“压紧”，轴承被“放松”，故=+=2.925KN=0.925KN4.2.4轴承的当量动载荷计算查机械设计基础得：载荷系数=1.5轴承的当量动载荷：=1.625e=0.5查机械设计手册得：=0.44，=1=(+ Y)=1.5(0.441.82+12.925)=5.6KN轴承的当量动载荷：=0.5e=0.5查机械设计手册得：=1，=0=1.51.85=2.775KN4.2.5验算两轴承的寿命由于轴承是在正常温度下工作，t 120，查表机械设计手册得=1球轴承=3，则轴承I的寿命=（）=（）=4.5 h轴承的寿命=（）=9.2510 h综上所述，轴承满足5年，一年工作300天、每天24小时的寿命，不必重新选择。而对Y、Z向的轴承选用与X向计算一样，在这里就不作详细的计算。4.3同步带轮传动的设计和计算4.3.1确定梯形齿同步带轮的基本参数（1）确定设计功率设计功率=,其中为载荷修正系数根据已知工作条件查表取则0.75=1.5KW（2）选择带形和节距根据=1.5KW和电机转速查表确定为L型，节距9.525（3）传动比的选择带传动是一种最常见的机械传动形式，它的主要用传递转矩和改变转速。大部分带传动是依靠扰性传动与带轮间的摩擦力来传递运动和动力的，铣床方面的传动还有电机直连式，在此选择了带传动的方式，带传动简单，而且效率高，选择的传动比=2（4）小带轮齿数根据带型XL和小带轮的转速，由表查得小带轮的最小齿数=12，此处取=12，则大带轮的齿数=24（5）小带轮的节圆直径=36.38查表得其外径=-2=58.57-1.37=57.20 其中2为节根距（6）大带轮节圆直径 =72.77查表得其外径=117.141.37=115.77（7）带传动速度=2.85m/s4.3.2确定带的中心距（1）初定轴间距查机械设计手册得 0.7（+）2(+)同时根据对铣床产品的测绘和设计经验初定=100（2）带长及其齿数的确定=2(+) =21001.57(36.3872.77) =200171.3653.310 =374.675查表应选用带长代号为150的L型同步带，其节线长度=381.00，节线长上的齿数=40（3）实际轴间距，所设计的结构的轴间距可调整=100+=103.16254.3.3选择带的类型（1）小带轮啮合齿数的确定 =ent=ent =ent5.33=5（2）基本额定功率的确定根据小带轮的转速和节圆直径查表知=0.7kw（3）带宽其中：带的基本宽度表4-1查得表4-1代号050075100bs0/mm12.719.125.4 当6时=1，当=5时=0.8，当=4时=0.4，此处取=0.8则 12.7=40mm至此X向带轮的设计已经完成，根据上面的计算数据，取标准带宽代号为050的L型带，其带宽为40，则带轮的宽度=42.7。同理可知：Y、Z向带轮取标准带宽代号为075的L型带，其带宽为50。4.4电机的选择和计算4.1.1确定电机的类型为了将手动进给改成由微机控制的自动进给，改造后性能不低于原铣床，电机的类型选择主要有以下几种方案：如果采用步进电动机，必须相应地降低机床的某些性能，主要是快速性。此外，由于步进电动机没有过载能力，高速时转距下降很多，容易丢步，大功率步进电动机的驱动较困难等原因，所以选用步进电动机驱动是不合适的。若采用交流伺服电动机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难得多，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差。由于所改造数控铣床工件加工精度不很高，采用闭环控制系统的必要性不大。若采用交流伺服电动机的半闭环控制，其性能在开环和闭环控制之间。由于其调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于步进电动机的开环控制，调试比闭环简单，系统的稳定性易保证，所以此方案比较合适。4.4.2伺服电机的计算（1）电动机转矩计算加速力矩：4.6（Nm）式中：折算到电动机轴上总惯量，T系统时间常数，s电动机转速，摩擦力矩：=0.09（Nm）式中：导轨摩擦力，N丝杠螺距，齿轮降速比传动链总效率，一般=0.70.85附加摩擦力矩：=2.2（Nm）式中：最大轴向载荷，N滚珠丝杠未预紧时的效率，一般0.9电动机力矩：=4.6+0.09+2.2=6.89（Nm）根据快速空载启动力矩应小于电动机的最大转矩，即，为电动机输出转矩的最大值，综上所述选择电动机的最大转矩为=7.16 （Nm），额定功率为750W的交流伺服电机。（2）负载惯量计算伺服电机的转子惯量应与负载惯量相匹配。负载惯量可按下式计算。工件、夹具与工作台折算到电机轴上的惯量 工件、夹具与工作台的最大质量350，可按下式计算，即0.0003（）式中：v工作台移动速度，m/s伺服电机的角速度，工件、夹具与工作台的质量，丝杠加在电动机轴上的惯量 丝杠的名义直径=32=0.032m，长度=1.2m，丝杠材料密度=7.8。根据下式计算：0.003（）轴承加上锁紧螺母等的惯量可直接查手册得：=0.001（）负载总惯量=+=0.0003+0.003+0.001=0.0043（）按照小型数控机床惯量匹配条件，所选伺服电机的转子惯量应在0.00430.0172范围之内。根据上述计算可选定伺服电机，X向可选中达ASMT-L25007型交流伺服电机，其额定转矩为2.39 Nm，转子惯量为1.08E-4，额定功率为750W的交流伺服电机。同理可知，Y向可选中达ASMT-L25010型交流伺服电机，额定功率为1KW。Z可选中达ASMT-L25007型交流伺服电机，其额定转矩为2.39 Nm，转子惯量为1.08E-4，额定功率为750W的交流伺服电机。4.4.3电机的安装X向电机的安装考虑到同步带的张紧等问题，电机不可直接安装在挂箱上，这样同步带张紧就有困难。需将电机首先安放在连接板上，电机的安放孔要定位很精确，要将电机装正，不能倾斜。电机与连接板安装好后，在连接板的四个角上分别打好U形槽。再将连接板安放在挂箱上，通过U形槽可调整电机的位置，从而达到张紧同步带的目的。对于Y、Z向电机的安装可参考上述步骤，这里就不对其进行详细的解说。第 33 页 共 35 页第五章 数控铣床的PLC控制SINUMERIK 802C是专门为中国数控机床市场而开发的经济型 CNC 控制系统。此系统与同类数控系统相比结构紧凑，性能更强，价格更低，高度集成于一体的数控单元，操作面板，机床操作面板和输入输出单元 机床调试配置数据少，系统与机床匹配更快速、更容易简单而友好的编程界面，保证了生产的快速进行，优化了机床的使用。 SINUMERIK 802C集成了所有的CNC，PLC，HMI，I/O 于一身：可独立于其他部件进行安装，坚固而又节省空间的设计。此系统主要有以下部分组成：CNC控制器、驱动器和电机、电缆。伺服驱动器的连接见图5-1。图5-1 伺服驱动器的连接图5.1 电气接口电气接口从信号的流向来看包括输入接口和输出接口，从信号的幅值特性来看包括模拟量接口和开关量接口。（1）开关量输出接口外部触点闭合时，+24V电压加到接收器电路上，经滤波和电平转换处理后，输出至CNC内部，成为内部电子电路可以接收和处理的信号。接受电路采用光电耦合转换电路，开关量输入信号是机床的开关、按钮、继电器触点、检测传感器等采集的闭合/断开状态信号。这些状态信号需经上述接口电路处理，才能变成PLC或CNC能够接收的信号。（2）开关量输出接口PLC输出电路一般为晶体管输出，可以驱动发光二极管，另外还可以经过继电器等放大后在输出到外部接口。当负载的工作电压或工作电流超过输出信号的工作范围时，应先用PLC输出接口驱动小型继电器，然后再用它的触点驱动强电线路的继电器、接触器等负载。5.2 铣床的安全互锁PLC完成相应的功能外，还要求在异常的情况下，通过安全互锁对操作者和设备进行紧急保护，然后通过报警功能通知操作者。（1）急停当出现紧急情况时，可以按下急停按钮以避免故障进一步扩大。因此，急停按钮必须能停止各运动部件，如进给轴、主轴等。常用的方法是：通过急停按钮关闭所有的动力电源，只保留控制电源；也可以用急停按钮关闭各运动部件驱动器的使能信号来实现。（2）限位当进给轴或其他有位置要求的移动部件超出设计的行程时，则通过限位信号进行保护。限位信号一方面需要在出现限位的时刻禁止移动部件的移动，另一面，还要通知CNC限位的方向，这样当用超程解除等方式脱离限位状态时，不会因误操作而进一步扩大超行程的程度，即只允许移动部件向与限位方向相反的方向移动。（3）进给驱动装置数控机床在自动加工中通常进给运动是由一个以上的进给驱动装置同时完成的，因此，当某个进给驱动装置出现报警时，必须停止自动加工状态。（4）主轴单元数控机床主轴的回转运动带动刀具或工件产生切削运动，因此1）当主轴报警时必须禁止回转运动，以防止损坏刀具或主轴。2）当主轴运动时，必须禁止刀具松/紧和自动换刀等，因为这些过程是在需要主轴静止的状态。3）若主轴有多个挡位，则主轴换挡未成功时，必须禁止主轴的连续运动和机床的自动加工。下面以三个进给轴的驱动就绪为例编写PLC程序。三个进给轴的驱动就绪
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