课程设计（论文）-XA6132普通升降台卧式铣床基于plc的数控化改造.doc

摘 要 此次课程设计中 设计任务是将一台 XA6132 普通升降台卧式铣床 改造成三坐标数控铣床 采用滚珠丝杠作为传动装置 共有三根丝杠分 别在纵向 横向工作台和垂直向升降台上 驱动元件为步进电机 采用 PLC 控制 存储扩展电路和 I O 接口电路 伺服电机驱动电路等几部分 组成 数控系统的核心是 PLC 其它装置均在微机的控制下进行工作 系统的功能和系统中所用的微机直接相关 数控系统对微机的要求是多 方面的 但主要指标是字长和速度 字长不仅影响系统的最大加工尺寸 而且影响加工的精度和运算精度 结合设计的工作量和时间限制 机械部分主要解决一个坐标轴 完 成机械结构设计 零件及参数的选择和部分计算过程 电气和微机部分 主要有硬件原理图和程序框图 此次课程设计中 我熟悉了机电一体化设计的基本过程 并把各门 所学的知识融会贯通形成一个有机的整体 为以后的设计工作打下了良 好的基础 同时我也深深的体会到了不足之处 准备在今后的工作中不 断学习 不断实践 关键词 XA6132 普通升降台卧式铣床 PLC 数控 改造 陕西理工学院课程设计 第 II 页 共 32 页 AbstractAbstract In this time graduation design the design mission is to reform a set of XA6132 common working panel lifter lying type miller into the three coordinate number controlling miller adopting the ball guide screw as the transmission device There are three silk bar different totally at lengthways horizontal work pedestal and perpendicularity to ascend and descend on the stage The driving component is the stepping electrical engineering The tiny machine number controls the system from the CPU save to expand the electric circuit and I O connects a people s electric circuit servo electrical engineering to drive the electric circuit etc several parts constitute The number controls the core of the system is a tiny machine the other equips to all carry on the work under the control of the tiny machine The tiny machine use is directly related in the function and systems of the system The number controls the request of system to tiny machine is various but the main index sign is a word to grow and speed the word is long not only affect the system biggest to process the size and the accuracy that influence process and operation accuracy What this design adoption is machines MCS 51s and expand 2 slices of 2764 chips a slice of 6264 chips 3 slices of 8155 programmable proceed together to constitute the control system Because the work of graduation project and restriction of time the mechanical part dissects three coordinate axes mainly finishes mechanical structural design the choices of the part and parameter some computational processes Electric and the computer part have principle pictures of hardware and procedure block diagram and some procedure sections mainly it is five A0 picture altogether In this time graduation design I acquainted with the machine electricity integral whole to turn the basic process of design and integrate the knowledge that each one learn to become an organic whole is a later design work to beat to descend the good foundation I also realized the place of the shortage deeply at the same time preparing to study continuously in the work of the aftertime practicing continuously Keywords The XA6132 universal knee type milling machine the number control reform 陕西理工学院课程设计 第 III 页 共 32 页 目录目录 摘要摘要 I ABSTRACTABSTRACT II 目录目录 III 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 数控机床改造的意义 1 1 2 国内外的数控机床的比较 1 1 3 数控未来发展的趋势 2 1 3 1 继续向开放式 基于 PC 的第六代方向发展 2 1 3 2 向高速化和高精度化发展 2 1 3 31 3 3 向智能化方向发展向智能化方向发展 2 第二章第二章 设计任务和总体方案的确定设计任务和总体方案的确定 3 2 1 设计任务 3 2 1 1 进给伺服系统设计计算 3 2 1 2PLC 控制系统设计 3 2 22 2 总体方案设计的内容总体方案设计的内容 3 2 2 1 伺服驱动 3 2 2 2 数控装置 4 2 2 3 系统功能 4 2 2 4 采用环形分配器 4 2 2 5 采用滚珠丝杠螺母副 4 第三章第三章 伺服系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算 5 3 13 1 确定系统脉冲当量确定系统脉冲当量 5 3 23 2 滚珠丝杠螺母副的设计 计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计 计算和选型 5 3 2 1 纵向丝杠的选择 6 3 2 2 横向丝杠的选择 9 3 2 33 2 3 垂直向丝杠的选择垂直向丝杠的选择 11 3 3 传动效率计算 13 3 4 齿轮传动比计算 14 3 4 1 纵向丝杠传动比 14 3 4 2 横向丝杠的传动比 14 3 4 3 垂直丝杠的传动比 14 陕西理工学院课程设计 第 IV 页 共 32 页 3 5 步进电机的计算和选用 15 3 5 13 5 1 纵向丝杠步进电机的计算纵向丝杠步进电机的计算 15 3 5 2 横向丝杠步进电机计算 18 3 5 3 垂直向丝杠步进电机的计算 20 四 控制系统硬件设计四 控制系统硬件设计 23 4 1 XA6132 型卧式普通铣床的基本结构和控制要求 23 4 1 1 主轴电动机 23 4 1 2 工作台驱动电动机 23 4 1 3 主轴与工作台 24 4 1 4 机床电气原理 24 4 2 PLC 的选择和硬件电路设计 25 4 3 PLC 和硬件电路设计 26 4 4PLC 的控制软件设计 27 部分参考文献 29 陕西理工学院课程设计 第 1 页 共 32 页 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 数控机床改造的意义数控机床改造的意义 企业要在当前市场需求多变 竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新 和开发出新产品 以最低价格 最好的质量 最短的时间去满足市场需求的不断变 化 而普通机床已不适应多品种 小批量生产要求 数控机床综合了数控技术 微 电子技术 自动检测技术等先进技术 最适宜加工小批量 高精度 形状复杂 生 产周期要求短的零件 当变更加工对象时只需要换零件加工程序 无需对机床作任 何调整 因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求 数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛 数控机床的发展 一方面是全 功能 高性能 另一方面是简单实用的经济型数控机床 具有自动加工的基本功能 操作维修方便 经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统 功率步进电机为驱 动元件 无检测反馈机构 系统的定位精度一般可达 0 01mm 至 0 02mm 已能满 足 C620 车床改造后加工零件的精度要求 普通车床经过多次大修后 其零部件相互连接尺寸变化较大 主要传动零件几 经更换和调整 故障率仍然较高 采用传统的修理方案很难达到大修验收标准 而 且费用较高 因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节 数控机床的改造 目的是要求机床稳定可靠 以尽可能低的故障率运转 普通车床应用微机控制系统 进行改造 可以提高工艺水平和产品质量 减轻操作者的劳动强度 1 21 2 国内外的数控机床的比较国内外的数控机床的比较 传统机床在我国占有比例相当大 我国目前机床总量 380 余万台 而其中数 控机床总数只有 11 34 万台 即我国机床数控化率不到 3 近 10 年来 我国数控 机床年产量约为 0 6 0 8 万台 年产值约为 18 亿元 机床的年产量数控化率为 6 我国机床役龄 10 年以上的占 60 以上 10 年以下的机床中 自动 半自动机床不到 20 FMC FMS 等自动化生产线更屈指可数 美国和日本自动和半自动机床占 60 以 上 可见我们的大多数制造行业和企业的生产 加工装备绝大数是传统的机床 而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床 用这种装备加工出来的产品普遍存在 质量差 品种少 档次低 成本高 供货期长 从而在国际 国内市场上缺乏竞争 力 直接影响一个企业的产品 市场 效益 影响企业的生存和发展 所以必须大 力提高机床的数控化率 但废弃传统机床大量引进数控机床对企业来说是一笔巨大 的负担 利用现有设备 提升传统制造业的科技含量 是适合我国国情的一条道路 陕西理工学院课程设计 第 2 页 共 32 页 它不仅完成企业设备的更新换代 而且也有良好的经济价值 在美国 日本和德国等发达国家 它们的机床改造作为新的经济增长行业 生 意盎然 正处在黄金时代 由于机床以及技术的不断进步 机床改造是个 永恒 的课题 我国的机床改造业 也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业 在 美国 日本 德国 用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场 已形成了机床 和生产线数控改造的新的行业 在美国 机床改造业称为机床再生 Remanufacturing 业 从事再生业的著名公司有 Bertsche 工程公司 ayton 机床公司 Devlieg Bullavd 得宝 服务集团 US 设备公司等 美国得宝公司已 在中国开办公司 在日本 机床改造造业称为机床改装 Retrofitting 业 从事 改装业的著名公司有 大畏工程集团 岗三机械公司 千代田工机公司 野崎工程 公司 滨田工程公司 山本工程公司等 1 31 3 数控未来发展的趋势数控未来发展的趋势 1 3 11 3 1 继续向开放式 基于继续向开放式 基于 PCPC 的第六代方向发展的第六代方向发展 基于 PC 所具有的开放性 低成本 高可靠性 软硬件资源丰富等特点 更多 的数控系统生产厂家会走上这条道路 至少采用 PC 机作为它的前端机 来处理人 机界面 编程 联网通信等问题 由原有的系统承担数控的任务 PC 机所具有的 友好的人机界面 将普及到所有的数控系统 远程通讯 远程诊断和维修将更加普 遍 1 3 21 3 2 向高速化和高精度化发展向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要 1 3 31 3 3 向智能化方向发展向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展 数控系统的智能化程度将不断 提高 1 应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息 并自动调整系统的有关参数 达到改进 系统运行状态的目的 2 引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验 加工的一般规律和特殊规律存入系统中 以工艺参 数数据库为支撑 建立具有人工智能的专家系统 陕西理工学院课程设计 第 3 页 共 32 页 3 引入故障诊断专家系统 4 智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载 而自动调整参数 使驱动系统获得最佳的运行 第二章第二章 设计任务和总体方案的确定设计任务和总体方案的确定 2 12 1 设计任务设计任务 2 1 12 1 1 进给伺服系统设计计算进给伺服系统设计计算 此部分为机械部分 它包括脉冲当量的确定 滚珠丝杠螺母副的设计 计算和 选型 进给伺服系统的传动计算 步进电机的计算和选用 设计并绘制总装配图 其中包括横向 纵向工作台和垂直向升降台 2 1 2PLC2 1 2PLC 控制系统设计控制系统设计 此部分包括设计并绘制控制系统线路图 编写程序 2 22 2 总体方案设计的内容总体方案设计的内容 机床数控系统总体方案的拟订应包括以下内容 伺服系统的选择 执行机构及 运动方式的确定 控制芯片的选择等内容 一般应根据设计任务和要求提出几个总 体方案 进行综合分析 比较和论证 最后选出一个合理的总体方案 2 2 12 2 1 伺服驱动伺服驱动 在我过设备数控化改造的一段时间里 较多采用步进电机作为伺服驱动元件 步进电机是一种特殊结构的电机 它利用通电激磁绕组产生反应力矩 将脉冲电信 号的能量转换为机械位移的电机执行元件 当激磁绕组按一定规律获得分配脉冲时 步进电机的转子就会转动 转子转过的角度与输入的脉冲个数具有较严格的比例关 系 而且转动与输入脉冲在时间上同步 因此可以利用这些特点控制运动的速度和 位移量 步进电机的优点是结构简单 电气控制和驱动电路也简单 体积小 重量轻 价格便宜 设计制造较简单 容易调试 使用维修方便 位移精度较好 对各种干 扰因素不敏感 结构误差不会累积 另外 电机时间常数小 反应快 但步进电机 也有缺点 主要是容易丢步 启动频率低 工作效率也不够高 低频时振动大 可 能造成失误 因此步进电机多用于负载较小 负载变化不大或要求不太高的经济型 陕西理工学院课程设计 第 4 页 共 32 页 简易型数控设备中 综上所述 综合了成功率 技术难度 精度和投资等因素 决定选用步进电机 开环伺服驱动 2 2 22 2 2 数控装置数控装置 微机数控系统由 CPU 存储扩展电路和 I O 接口电路 伺服电机驱 动电路等几部分组成 数控系统的核心是微机 其它装置均在微机的控制下进行工作 系 统的功能和系统中所用的微机直接相关 数控系统对微机的要求是多方面的 但 主要指标是字长和速度 字长不仅影响系统的最大加工尺寸 而且影响加工的精度 和运算精度 2 2 32 2 3 系统功能系统功能 1 横向 纵向 垂直方向进给伺服运动 2 行程控制 3 键盘控制 4 功能 报警电路 复位电路 隔离电路 功放电路等 2 2 42 2 4 采用环形分配器采用环形分配器 本系统采用软件环形分配器 由于铣床三个方向的三步进电机均为三相 所以 直接与 8155 2 的 PA 口再加上 8155 1 的 PA 口相接就可以了 经光电耦合电 路 功放电路驱动电机 2 2 52 2 5 采用滚珠丝杠螺母副采用滚珠丝杠螺母副 采用滚珠丝杠螺母副传动结构 具有精度高 效率高 寿命长 低能耗 摩擦系数 小 较高紧凑 通用性强等特点 陕西理工学院课程设计 第 5 页 共 32 页 第三章 伺服系统机械部分设计计算 3 13 1 确定系统脉冲当量确定系统脉冲当量 铣床脉冲当量应选 0 01mm 脉冲 3 23 2 滚珠丝杠螺母副的设计 计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计 计算和选型 最大回转直径 工作台宽 320mm 电机功率 P 7 5KW 纵向快进速度 2 3m min 横向快进速度 2 3m min 垂向快进速度 0 77m min 纵向切削数据 0 06m min 横向切削速度 0 06m min 垂向切削速度 0 06m min 定位精度 0 015mm 纵向移动部件重量 220 kg 横向移动部件重量 450kg 垂向移动部件重量 1000kg 加速时间 30ms 机床效率 0 8 机动范围 680mm 240mm 300mm 工艺数据 工件加工余量 最大铣削宽度 7mm 最大铣削深度 32mm 刀具数据 高速钢圆柱铣刀 直径 32 40mm 刀齿书 3 4 工艺数据 主轴转速 150 190rpm 40 60mm min 每齿切厚 0 05 0 2mm 取 0 1mm 陕西理工学院课程设计 第 6 页 共 32 页 根据机床设计手册 对高速钢圆柱铣刀 以工件为碳钢计算 9 81Z Z F FZ C 0 86 e a 0 72 f a p a 0 86 0 d 式中 系数见表 7 1 28 68 FZ C FZ C 铣削接触弧深 宽度 取 7 e a e a 每齿进给量 切厚 0 1 f a f a 铣刀直径 取 35 0 d 0 d 铣削深度 32 p a p a z 铣刀齿数 z 4 NFz4817435321 05 86881 9 86 072 0 86 0 3 2 13 2 1 纵向丝杠的选择纵向丝杠的选择 1 计算进给牵引力 m F 导轨类型为燕尾导轨 2 mXZY FkFfFFG 式中 上的摩擦系数 0 2 f 部件重量 2200NGG k 响的实验系数K 1 4 在以工作寿命为基础进行计算时 应按实际加工中平均铣削条件为准 9 81Z 4817N Z F FZ C 0 86 e a 0 72 f a p a 0 86 0 d 4 1 1 1 2 0 2 0 3 0 35 0 4 H P Z F V P Z F 0 P Z F 取 1 1 5299N 0 25 1204N 0 375 1806N H P Z F V P Z F 0 P Z F 陕西理工学院课程设计 第 7 页 共 32 页 切削分力 3629 3 2 22 NPPF VHX N0Fy NPFZ1806 0 1 4 3629 0 2 1086 2 0 2200 2 mXZY FkFfFFG 5898N 2 计算最大负载 C 选用滚珠丝杠副的 d0时 必须保证在一定轴向负载作用下 丝杠在回转 100 万转后 在它的滚道上不产生点蚀现象 这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠 所能承受的最大动负载 C 计算如下 C 4 3 3 L mw Ff L 6 10 60Tn n 0 L 1000 vs 式中 L0 滚珠丝杠导程 L0 6 mm 最大切削力下的进给速度 0 5m min vsvs T 使用寿命 取 T 15000h 运转系数 无冲击运转 1 0 1 2 此处取 1 2 w f w f w f L 寿命 转为单位 6 10 min83 6 5 01000 rn 7 74 10 150008360 6 L NC2264344822 17 74 3 3 滚珠丝杠副螺母的选型 可采用 DFT3220 2 5 型双螺母滚珠丝杆副 额定动载荷为 26800 a C 4 刚度验算 陕西理工学院课程设计 第 8 页 共 32 页 滚珠丝杠副的轴向变形将会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性 因此选 用丝杠时应考虑丝杠的轴向刚度 丝杠的拉伸或压缩变形量在总的变形量中占 1 很大的比重 所以要计算是否满足要求 不预紧 1 1 3 总 计算如下 在工作负载的作用下引起导程的变化量 m F 0 LL 4 4 L FE LFm 0 式中 在工作负载作用下引起每一导程的变化量 mm L m F 工作负载 即进给牵引力 N m F 滚珠丝杆导程 mm 0 L 材料弹性模量 对于钢 20 6 N mmEE 4 10 2 滚珠丝杠横截面积 按内径确定 mm F 2 5898N 6mm 20 6 N mm m F 0 LE 4 10 2 804mmF 2 2 d 2 32 2 mmL FE LFm 0 80410 6 20 65859 4 4 102 123 滚珠丝杠总长度上的变形量 1 0 0354 1 L L L 0 1000 6 102 123 4 0 01mmmm00885 0 0354 0 4 1 4 1 11 5 稳定性校核 陕西理工学院课程设计 第 9 页 共 32 页 无需进行稳定性校核 3 2 23 2 2 横向丝杠的选择横向丝杠的选择 1 计算进给牵引力 m F 在以工作寿命为基础进行计算时 应按实际加工中平均铣削条件为准 9 81Z 5898 Z F FZ C 0 86 e a 0 72 f a p a 0 86 0 d 1 1 5299N 0 25 1204N 0 375 1806N H P Z F V P Z F 0 P Z F 3629 3 2 22 NPPF VHX N0Fy NPFZ1806 0 6342N 2 mXZY FkFfFFG 式中 导轨上的摩擦系数 0 15 f 移动部件重量 4500 NGG 2 计算最大负载 C 选用滚珠丝杠副的 d0时 必须保证在一定轴向负载作用下 丝杠在回转 100 万转后 在它的滚道上不产生点蚀现象 这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠 所能承受的最大动负载 C 计算如下 C 3 L mw Ff L 6 10 60Tn n 0 L 1000 vs 式中 L0 滚珠丝杠导程 L0 6 mm 最大切削力下的进给速度 0 03m min vsvs T 使用寿命 对于数控机床取 T 15000 h 运转系数 无冲击运转 1 0 1 2 此处取 1 0 w f w f w f 陕西理工学院课程设计 第 10 页 共 32 页 L 寿命 以转为单位 6 10 min83 6 5 01000 rn 7 74 10 150008360 6 L NC3205163422 1 7 74 3 3 滚珠丝杠副螺母的选型 可采用 DFT3210 5 型双螺母滚珠丝杆 额定动载荷为 48200N a C 4 刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性 因此选 用丝杠时应考虑丝杠的轴向刚度 丝杠的拉伸或压缩变形量在总的变形量中占 1 很大的比重 所以要计算是否满足要求 不预紧 1 1 3 总 计算如下 在工作负载的作用下引起导程的变化量 m F 0 LL L FE LFm 0 式中 在工作负载作用下引起每一导程的变化量 mm L m F 工作负载 即进给牵引力 N m F 滚珠丝杆导程 mm 0 L 材料弹性模量 对于钢 20 6 N mmEE 4 10 2 滚珠丝杠横截面积 按内径确定 mm F 2 5898N 6mm 20 6 N mm m F 0 LE 4 10 2 804mmF 2 2 d 2 32 2 陕西理工学院课程设计 第 11 页 共 32 页 mmL FE LFm 0 80410 6 20 65859 4 4 102 123 滚珠丝杠总长度上的变形量 1 0 0354 1 L L L 0 1000 6 102 123 4 0 01mmmm00885 0 0354 0 4 1 4 1 11 3 2 33 2 3 垂直向丝杠的选择垂直向丝杠的选择 1 计算进给牵引力 m F 在以工作寿命为基础进行计算时 应按实际加工中平均铣削条件为准 9 81Z 5898 Z F FZ C 0 86 e a 0 72 f a p a 0 86 0 d 1 1 5299N 0 25 1204N 0 375 1806N H P Z F V P Z F 0 P Z F 3629 3 2 22 NPPF VHX N0Fy NPFZ1806 0 导轨类型为燕尾导轨 7443N 2 mXZY FkFfFFG 式中 导轨上的摩擦系数 0 2 f 移动部件重量 10000NGG 2 计算最大负载 C 选用滚珠丝杠副的 d0时 必须保证在一定轴向负载作用下 丝杠在回转 100 万转后 在它的滚道上不产生点蚀现象 这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠 所能承受的最大动负载 C 计算如下 C 3 L mw Ff L 6 10 60Tn 陕西理工学院课程设计 第 12 页 共 32 页 n 0 L 1000 vs 式中 L0 滚珠丝杠导程 L0 6 mm 最大切削力下的进给速度 0 03m min vsvs T 使用寿命 对于数控机床取 T 15000 h 运转系数 无冲击运转 1 0 1 2 此处取 1 0 w f w f w f L 寿命 以转为单位 6 10 min83 6 5 01000 rn 7 74 10 150008360 6 L NC3756574432 17 74 3 3 滚珠丝杠副螺母的选型 可采用 DFT3210 5 型双螺母滚珠丝杠 额定动载荷为 48200N a C 4 刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性 因此选 用丝杠时应考虑丝杠的轴向刚度 丝杠的拉伸或压缩变形量在总的变形量中占 1 很大的比重 所以要计算是否满足要求 不预紧 1 1 3 总 计算如下 在工作负载的作用下引起导程的变化量 m F 0 LL L FE LFm 0 式中 在工作负载作用下引起每一导程的变化量 mm L m F 工作负载 即进给牵引力 N m F 陕西理工学院课程设计 第 13 页 共 32 页 滚珠丝杆导程 mm 0 L 材料弹性模量 对于钢 20 6 N mmEE 4 10 2 滚珠丝杠横截面积 按内径确定 mm F 2 5898N 6mm 20 6 N mm m F 0 LE 4 10 2 804mmF 2 2 d 2 32 2 mmL FE LFm 0 80410 6 20 65859 4 4 102 123 滚珠丝杠总长度上的变形量 1 0 0354 1 L L L 0 1000 6 102 123 4 0 01mmmm00885 0 0354 0 4 1 4 1 11 3 33 3 传动效率计算传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 4 6 tan tan r r 式中 摩擦角 滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 f 0 003 0 004 摩擦角 约为 即 0 1667 10 r 丝杠螺旋升角 0 968 tan tan r r 1667 0 0977 5 tan 0977 5tan 3 43 4 齿轮传动比计算齿轮传动比计算 3 4 13 4 1 纵向丝杠传动比纵向丝杠传动比 传动比 i i 4 7 p b L 360 0 陕西理工学院课程设计 第 14 页 共 32 页 式中 脉冲当量 mm 0 01mm p p 基本导程 6mm 0 L 0 L 步进电机的步距角 初选 0 75 b b i p b L 360 0 0 75 6 360 0 01 50 40 根据实际结构要求取 50 2 Z52 3 Z 1 40Z 3 4 23 4 2 横向丝杠的传动比横向丝杠的传动比 脉冲当量 0 01mm p 基本导程 6mm 0 L 初选步距角 0 75 b 计算传动比 i p b L 360 0 32 24 根据实际结构要求取 1 24Z 30 2 Z 因为进给伺服系统传递的功率不大 一般取模数 m 1 2 在此取 m 2 3 4 33 4 3 垂直丝杠的传动比垂直丝杠的传动比 脉冲当量 0 01mm p 基本导程 6mm 0 L 初选步距角 0 75 b 计算传动比 i p b L 360 0 5 2 01 0 360 1275 0 陕西理工学院课程设计 第 15 页 共 32 页 根据实际结构要求取一对锥齿轮 44 22 21 ZZ 取 L 型同步带轮 规格如下 27 21 21 ZZ 3 53 5 步进电机的计算和选用步进电机的计算和选用 3 5 13 5 1 纵向丝杠步进电机的计算纵向丝杠步进电机的计算 1 转动惯量的计算 齿轮的转动惯量 kg cm 4 8 1 z 411 1 1 0 7810 32 d L J 2 411 1 1 0 7810 32 d L J 26 10 2 627mkg 齿轮的转动惯量 2 z 411 1 1 0 7810 32 d L J 26 10 6 1377mkg 齿轮的转动惯量 3 z 411 1 1 0 7810 32 d L J 26 10 2 1531mkg 丝杠的转动惯量 1959 4 411 1 1 0 7810 32 d L J 26 10mkg 折算到电机轴上的转动惯量 2 2 2 1 2 0 3 3 1 1 2 J Z ZL g G JJ Z Z JJ S 4126 8kg m 其中 齿轮的转动惯量 kg cm 1 J 1 z 2 陕西理工学院课程设计 第 16 页 共 32 页 齿轮的转动惯量 kg cm 2 J 2 z 2 齿轮的转动惯量 kg cm 3 J 3 z 2 主轴的转动惯量 kg cm s J 2 2 电动力矩的计算 电机的负载力矩在各种工况下是不同的 下面分快速空载起动时所需力矩 快 速进给时所需力矩 工进负载时所需力矩等几部分分别计算 快速空载起动时所需力矩 起 M 起 M 0max MMM f 式中 空载起动时折算到电机轴上的加速力矩 max M 折算到电机轴的摩擦力矩 f M 由于丝杠预紧时折算到电机轴的附加力矩 0 M 电机最大转速 360 max max b p v n 由技术要求得知 min 479 max rn 起动加速时间 30 ms a t 摩擦力cmN t n JM a 90 6 10 03 0 60 479210 8 4126 10 60 2 2 2 2max max 矩 cmN i LF M f 82 0 25 1 8 02 6 0 22002073 2 0 2 00 式中 导轨摩擦力 N 空起时 0 FfGF 0 传动链总效率 陕西理工学院课程设计 第 17 页 共 32 页 降速比 1 25ii 附加摩擦力矩 cmN i LF M P 18 0 1 2 2 0 0 0 0 式中 滚珠丝杠预加载荷 0 p F 滚珠丝杠传动效率 0 7 9N m 起 M 0max MMM f 快速进给时所需力矩 0 快 M 工进时需力矩 工 M 工 M0 0 tf MMM 式中 工进时折算到电机轴上摩擦力矩 N m f M 折算到电机轴上的负载力矩 t M 从上面的计算可以看出 在 三种工况下 快速空载起动所 起 M 快 M 工 M 需力矩最大 此项为初选电机的依据 从表中查出 当步进电机为三相六拍时 0 79 max j MM起 866 0 M jmax 起 M 按此最大静转矩产步进电机型号表 三相 可查出 110BC380B 型最大静转矩 转矩为 10N m 大于所需静转矩 可作为初选型号 但必须进一步考核步进电机起 动矩频特性和运行矩频特性 3 计算电机工作频率 步进电机快速运行 Hz6667 005 0 60 21000 60 1000 max p q v f 陕西理工学院课程设计 第 18 页 共 32 页 最高工作频率 Hz2000 005 0 60 6 01000 60 1000 p s g v f 从电机表中查出 110BC380A 型步进电机的空载起动频率为 1400Hz 运行频率为 15000Hz 3 5 23 5 2 横向丝杠步进电机计算横向丝杠步进电机计算 1 转动惯量的计算 齿轮的转动惯量 1 z 26124 1 10 3 8110 32 8 7 mkgLDJ 齿轮的转动惯量 2 z 26124 1 108 25610 32 8 7 mkgLDJ 丝杠的转动惯量 26124 1 1015010 32 8 7 mkgLDJs 折算到电机轴的转动惯量为 2 0 2 2 2 1 1 2 L g G JJ z z JJ s 605 6 10 2 mkg 2 电机力矩的计算 快速空载起动时所需力矩 起 M 起 M 0max MMM f 最高转速 min 250 360 max max r v n b p 起动加速时间 msta30 陕西理工学院课程设计 第 19 页 共 32 页 摩mN t n JM a 53 0 10 03 0 60 250210605 10 60 2 2 2 2max max 擦力矩 mN i LF M f 16 1 25 1 8 02 6 065 1219 2 00 式中 导轨摩擦力 N 空起时 0 FfGF 0 传动链总效率 降速比 1 25ii 附加摩擦力矩 22Ncm 0 M 1 2 2 0 0 0 i LFP 1 91 起 M 0max MMM f mN 快速进给所需力矩 快 M 由前面所知 快 M 起 M 工进所需力矩 工 M 工 M tf MMM 0 导轨摩擦力 NGfF65 1219 0 0 2 00 i LF Mt 工 MmNMMM tf 10 0 0010 0 0 从上面计算可以看出 在 三种工况下 快速空载起动所需 起 M 快 M 工 M 力矩最大 此项为初选电机的依据 从表中查出 当步进电机为三相六拍时 陕西理工学院课程设计 第 20 页 共 32 页 0 347 max j MM起 866 0 M jmax 起 M 按此最大静转矩产步进电机型号表 三相 可查出 110BC380 型最大静转矩 转矩为 5 5N m 大于所需静转矩 可作为初选型号 但必须进一步考核步进电机 起动矩频特性和运行矩频特性 从电机表中查出 110BC380 型步进电机的空载起动频率为 1500Hz 运行频率为 15000Hz 3 5 33 5 3 垂直向丝杠步进电机的计算垂直向丝杠步进电机的计算 1 转动惯量的计算 锥齿轮的转动惯量 1 z 34 11 1078 0 LdJ 26 10290mkg 锥齿轮的转动惯量 2 z 2634 12 1046471078 0 mkgLdJ 丝杠的转动惯量 2634 1 1096461078 0 mkgLdJs 带轮的转动惯量 26124 1 10 5 94010 32 8 7 mkgLDJ 带 26124 2 1038510 32 8 7 mkgLDJ 带 折算到电机轴的转动惯量为 26 22 2 0 2 2 22 2 2 1 1 103459 2 006 0 100096464647 5 2 1 290 5 940 25 1 1 2 385 25 2 1 mkg L g G JJJ Z Z JJ 带 带 带 带 陕西理工学院课程设计 第 21 页 共 32 页 2 电机力矩的计算 由前面计算可知 在 三种工况下 快速空载起动所需力矩 起 M 快 M 工 M 最大 所以只需计算 起 M 起 M 0max MMM f 最高转速 min 320 360 max max r v n b p 起动加速时间 msta30 空mN t n JM a 86 3 10 03 0 60 3202103459 10 60 2 2 2 2max max 载时导轨摩擦力 2623 2NfGF 0 摩擦力矩 mN i LF M f 5 2 5 28 02 012 0 2 2623 2 00 附加摩擦力矩 0 33 0 M 1 2 2 0 0 0 i LFP mn 起 M 0max MMM f mN 69 6 以此项为初选电机的依据 从表中查出 当步进电机为三相六拍时 836 0 8 69 6 max j MM起 866 0 M jmax 起 M 按此最大静转矩产步进电机型号表 三相 可查出 110BC380A 型最大静转矩 转矩为 8N m 大于所需静转矩 可作为初选型号 但必须进一步考核步进电机起 动矩频特性和运行矩频特性 陕西理工学院课程设计 第 22 页 共 32 页 从电机表中查出 110BC380A 型步进电机的空载起动频率为 1400Hz 运行频率 为 15000Hz 陕西理工学院课程设计 第 23 页 共 32 页 四 控制系统硬件设计四 控制系统硬件设计 我国传统的机床控制系统都是采用继电器 接触器等硬件逻辑控制电路 不但接 线复杂 而且经常出现故障可靠性比较差 与传统的继电器控制相比 可编程序控制 器具有可靠性高 柔性好 编程灵活 开发周期短以及故障自诊断等特点 特别适合应 用于机床控制系统的开发和用 通过使用 PLC 设计机床控制系统 可以减少强电元器 件数目 提高电气控制系统的稳定性和可靠性 从而提高产品的品质和生产效率 目 前 国内许多厂家的自动控制系统及加工机床都采用 PLC 代替继电器控制 4 14 1 XA6132XA6132 型卧式普通铣床的基本结构和控制要求型卧式普通铣床的基本结构和控制要求 XA6132 型卧式普通铣床由床身 悬梁 刀杆支架 升降台等部分组成 铣床的主要 运动形式有主轴 带刀具旋转运动和工作台 固定工件 的进给运动 两种运动分别用 2 台电动机 M2 M3 拖动 主轴所带铣刀的旋转运动有顺铣和逆铣两种工作方式 升 降台分为矩形和圆形两层结构 矩形工作台可实现工作台纵向 横向和垂直三种直线 进给运动 对应左右 前后 上下 个移动方向 装有圆工作台的普通铣床还有回转运 动 普通铣床的矩形圆形工作台共有 4 种运动形式 工作台进给电动机 M3 经机械传 动链传动 由电磁离合器选择工作台的工进和快速进给 并由机械离合器接通相应方 向的机械传动链驱动工作台实现各方向的移动进给 XA6132 型卧式普通铣床的控制 要求如下 4 1 14 1 1 主轴电动机主轴电动机 M2 7 5KW 空载时直接起动 要求实现两地控制的正反转 顺逆铣 运动及电磁离合 器的停车制动 采用电磁离合器 为安全和操作方便 换刀时 使主轴处于制动状态 由于主轴的正 反转不需要经常变换 通常在加工前设置转动方向 4 1 24 1 2 工作台驱动电动机工作台驱动电动机 M3 1 5KW 要求能够实现正转 反转 并要求两个工作台 矩形 圆形 各个方向的运动 互锁 矩形工作台的 6 个运动方向和圆工作台的旋转运动要求互锁 任何时刻 只允 许存在一种运动形式的一个方向运动 陕西理工学院课程设计 第 24 页 共 32 页 4 1 34 1 3 主轴与工作台主轴