控铣床电气控制系统的设计.doc

控铣床电气控制系统的设计 a 第1章 绪 论 本绪论主要是从本课题的来源、目的、意义、应解决的主要问题及应达到的技术要求来介绍机电一体化教学实验系统（数控铣床型），并且叙述了国内外发展概况以及存在的问题。最后简述了本设计的指导思想。 1.1课题的来源 随着各种学科的交叉发展，原来的纯机械加工已经发展为机电一体化的加工机床，现在随着各种控制技术的日趋完善，机电一体化的加工系统数控机床已经毫无疑问成为了工业生产的主力装备。一方面，调查表明，我国要成为“世界工厂”，需要培训和造就数十万数控技术应用领域的操作人员、编程人员和维修人员，另一方面，来自机电一体化专业在实践方面对于专门的教学用的仪器设备的需求，是本课题产生的主要的原因。 1.2目的和意义 本产品立足于设计一台能够满足各大高等院校对教学用机电一体化实验系统的需求，用于学生实验所需的数控铣床。主要用于装备高等院校，中等技术专业学校及各类技术学校的机电一体化实验室设备，可用于数控机床，数控编程，数控原理等专业课程的教学实验与培训。 本课题是要求在指导老师的指导下通过查阅相关的内容的资料并进行总体方案的设计（包括机械总体结构，电气控制系统总体结构和控制软件总体结构设计）进而最终完成适合教学实验使用的数控铣床。 该机床能实现单轴定位及两轴联动联动，从而可以完成对塑料制品的铣、铰等基本的切削运动，并能加工形状简单的零件。 1.3机电一体化系统的简介 机电一体化技术的基本概念是指将机械学、电子学、信息处理和控制及专用软件等当代各种新技术进行综合集成的一种群体技术。 机电一体化系统主要有五个组成部分:动力、机构、执行器、计算机和传感器,组成一个功能完善的柔性自动化系统,其中计算机、传感器和计算机软件是机电一体化技术的重要组成要素。机电一体化系统具有结构简单、功能多、效率高、精度高、能耗低的特点,与传统的机械产品比较,机电一体化产品至少有以下三个优点。 (1)原有的机构产品中增加信息处理装置及相应软件,来替代原有产品的部分机械控制机构,不仅提高了自动化程度,而且能大大提高产品质量,同时也降低了生产成本,提高经济效益。 (2)以机电一体化技术为主的新型产品,与原机械产品相比,不仅结构简单,而且功能更加丰富,精度也得到提高。 (3)将电子技术、传感器技术、控制技术与机械技术各自的优势结合起来,形成综合性优势,可开发出具有多种功能、智能化的高新技术产品。 1.3.1机电传动概述 机电传动就是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统之总称。它的目的就是电能转变为机械能，实现生产机械的启动，停止以及速度控制，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常进行。机电传动控制系统发展愈来愈高。 现在机电传动机控制系统由微型操纵杆，敏感元件，计算机，伺服机构和执行机构等部分组成。当操纵它时，电传系统立刻将机械动作转变为电信号，经计算机计算放大后，通过电机使执行机构动作。电传操纵系统的优点是结构比较简单，体积和重量小，易于安装和维修、操纵灵敏度高，无滞后现象。由于可以敷设多条电缆，“生存力”大大增强。 但就机电传动而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电机拖动和多电机拖动三阶段。控制期间经过了四阶段：1.接触器与继电器 2.电机放大机控制 3.磁放大器，大功率可控水银整流器 4. 计算机数字控制CNC。 就本次设计而言，系统的驱动部分采用了步进电机驱动，控制部分采用比较先进的微机与PLC控制。 1.3.2数控加工的概述 数控加工，是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法，数控机床加工与传统机床加工的工艺规程从总体上说是一致的，但也发生了明显的变化。以下是数控加工的特殊之处： 1 工序集中： 数控机床一般带有可以自动换刀的刀架、刀库，换刀过程由程序控制自动进行，因此，工序比较集中。工序集中带来巨大的经济效益： 1 减少机床占地面积，节约厂房。 2 减少或没有中间环节（如半成品的中间检测、暂存搬运等），既省时间又省人力。 2 加工自动化： 数控机床加工时，不需人工控制刀具，自动化程度高。带来的好处很明显。 a) 对操作工人的要求降低：一个普通机床的高级工，不是短时间内可以培养的，而一个不需编程的数控加工操作工人培养时间极短（如数控车工需要一周即可，还会编写简单的加工程序）。并且，数控工在数控机床上加工出的零件比普通工在传统机床上加工的零件精度要高，时间要省。 b) 降低了工人的劳动强度：数控工人在加工过程中，大部分时间被排斥在加工过程之外，非常省力。 c) 产品质量稳定：数控机床的加工自动化，免除了普通机床上工人操作时所产生的疲劳、粗心、估计等人为误差，提高了产品的一致性。 d) 加工效率高：数控机床的自动换刀等使加工过程紧凑，提高了劳动生产率。 3柔性化程度高： 传统的通用机床，虽然柔性好，但效率低下；而传统的专机，虽然效率很高，但对零件的适应性很差，刚性大，柔性差，很难适应市场经济下的激烈竞争带来的产品频繁改型。只要改变程序，就可以在数控机床上加工新的零件，且又能自动化操作，柔性好，效率高，因此数控机床能很好适应市场竞争。 4.加工能力强： 数控机床能精确加工各种轮廓，而有些轮廓在普通机床上无法加工。数控机床特别适合以下场合： a)不许报废的零件。 b)新产品研制。 c)急需件的加工。 1.3.3数控加工的设备 数控加工所使用的主要设备-数控机床是信息技术与机械制造技术相结合的产物，代表了现代基础机械的技术水平与发展趋势。 数控机床具有以下明显特点： 1） 适合于复杂异形零件的加工。 2） 实现计算机控制，排除人为误差。 3） 通过计算机软件可以实现精度补偿和优化控制。 4） 加工中心、车削中心、磨削中心、电加工中心等带有刀具库并具有换刀功能，从而减少了人工装夹的次数，提高了加工精度。 5） 数控机床使机械加工设备增加了柔性化的特点。柔性加工不仅适合于多品种、中小批量生产也适合于大批量生产，且能交替完成两种或更多种不同零件的加工，增加了自动变换工件的功能，可实现夜间无人看管的操作。由几台数控机床（加工中心）组成的柔性制造系统（FMS）具有更高柔性的自动化制造系统，包括加工、装配和检验等环节。 数控机床可划分为三个层次： 1） 高档型数控机床：是指可以进行复杂形状的加工，具有多轴控制或工序集中、自动化程度高、高度柔性的数控机床。 2） 普及型数控机床：具有人机对话功能，应用较广，价格适中，通常称之为全功能数控机床。 3） 经济型数控机床：结构简单，精度中等，但价格便宜，仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件。 选用数控机床需遵循的原则是： 1） 实用性：是指明确数控机床来解决生产中的哪一个或哪几个问题。 2） 经济性：是指所选用的数控机床在满足加工要求的条件下，所支付的代价是最经济的或者是较为合理的。 3） 可操作性：用户选用的数控机床要与本企业的操作和维修水平相适应。 4） 稳定可靠性：是指机床本身的质量，选择名牌产品能保证数控机床工作时的稳定和可靠。 PLC（可编程逻辑控制器）发展的现状及发展的趋势 PLC发展到现在共经历了四代。现在的PLC采用16位以上的微处理器作为CPU外，内存容量更大，还可以将堕胎PLC连接起来，实现资源共享;还可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统；变成语言除了可使用传统的梯形图、流程图等还可以使用高级语言；外设多样化，可以配置CRT和打印机等。 目前国内外用于这方面控制系统的PLC主要是由几大主要生产商提供的。即：Siemens(GER),GE(U.S),Rockwell(U.S),Mitsubishi(Jap),Omron(Jap)这几家主要的PLC供应商占据了PLC市场的75%80%。现在的主要的PLC的厂商都集中在日本和美国等发达国家，国内生产和制造PLC的工艺技术都还落后于这些国家。 其发展的趋势是： 1、人机界面更加友好 PLC制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其软件水平，多数PLC品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人机友好的控制系统，目前，PLC网络IPCCRT的模式被广泛应用。 2、网络通讯能力大大加强 PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础上，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。 3、开放性和互操作性大大发展 PLC在发展过程中，各PLC制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识。 4、PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛 PLC的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域，PLC均有成功能应用，PLC在相当多的应用取代了昂贵的DCS，从而使原来PLC（顺序控制）DCS（过程控制）的模式变成PLCIPC模式。 5、工业以太网的发展对PLC有重要影响 以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。目前的挑战在于1）硬件上如合适应工业恶劣环境；2）通讯机制如何提高其可靠。以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各PLC厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。 从PLC的发展趋势来看，PLC控制技术将成为今后工业自动化的主要手段。在未来的工业生产中，PLC技术、机器人技术、核CAD/CAM技术将成为实现工业生产自动化的三大支柱。 1.4国内外动态 1.4.1国内研究的状况 近十几年来，我国各级政府在工业控制计算机及其系统，可编程序逻辑控制器（PLC）、数控系统、工业机器人等技术和产业都曾列入重点发展规划，各项都有上千万元的投资，但真正能形成规模性产品生产的产业却寥寥无几，在国内市场的占有率不足10。跟踪研究国外先进技术的发展、加大市场调研力度是高新技术产业开发中的一个严肃的课题，不能不引起各层次决策者重视和积极支持。外资企业进入我国市场时，在市场调研方面的资金投入是惊人的重视。相比之下，我国各级政府、各企事业特别是国营企业在跟踪研究和市场调研方面的投入却重视得不够。同时机电一体化技术涉及的领域广泛，不可能全面发展。就可编程序逻辑控制器（PLC）而论，80年代末90年代初我国有三十多家企事业单位小批量生产中低档产品系列。面对年需求量十几万台整机产品的庞大市场需求，大多数国内的企事业单位都未能越过国外大型企业的竞争壁垒，没有一家企业能达到规模性产业，纷纷退出竞争，国外企业几乎独霸了市场。 数控机床是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业。在整个机床行业不景气的时期，数控机床的发展一枝独秀，最近几年，我国数控机床无论在产量、品种还是在高档机床的生产方面发展很快。自1999年以来，机床行业出现了止滑回升的好势头，尤其是随着数控机床产品的开发，质量和品质可靠性的提高所取得的显著成效，增长较快。2003年数控机床出口额同比增长了15.87%。数控机床已经成为了当代机械行业的主流装备。如国内的北京第一机床厂就与大连理工大学等高校合作生产出XK4860五坐标数控螺旋桨铣床等国内领先的数控机床。但随着我国经济的快速发展，数控机床生产远满足不了市场需求，国产数控机床仅占我国总消费额的50%左右。台湾、日本成为我国大陆数控机床进口的主要来源地。 1.4.2国外研究的状况 目前国际先进制造业不断改善自动控制系统、提高传统制造业的技术水平和市场竞争力；机电一体化产业结构不断调整，各行业不断融合，数控技术趋于模块化、网络化、多媒体和智能化。现场总线是当前自动化控制与仪器仪表领域技术发展的第一热点。电力电子技术成为改造传统产业的基础，它拓宽了微电子技术的应用领域，为机电一体化、新能源技术、核技术、航天技术、超导应用、激光装置、生物工程、新材料技术提供了高性能、高精度、高效率和高质量小型的电控设备和电源设备，成为发展高新技术的基础。 工业发达国家应用机电一体化技术已十分广泛，不仅在单机产品中占有重要位置，而且在生产制造系统内也十分活跃。例如，计算机集成制造系统（CIMS）、快速成型制造系统（RPM）、智能制造系统（IMS）等。机电一体化产品模块化的发展促进了新产品的开发，品种不断增多，花样不断翻新，缩短了开发周期。以驱动为核心的驱动模块单元（简称D），以伺服为核心的运动控制模块单元（简称M），以二根导线把各功能单元连接起来的总线或现场总线等，已形成了标准化的产品。 智能制造技术是21世纪机电一体化技术的重点发展领域。所谓智能制造技术是指90年代初由日本发起的“智能制造系统”（IMS）国际合作研究计划提出的技术。这个合作研究组织包括日、美、欧盟、澳大利亚等，计划在十年中投资10亿美元，设立100个研究开发项目，开展智能制造的前期研究工作，目标是开发出能使人和智能设备都不受操作者和国界限制的合作系统。 而数控加工的主力设备数控机床技术在国外的发展已经呈现出五大特点： 1.高速、高效和复合加工机床发展迅速 2.机床更强调安全和环保要求 3.功能部件发展迅速，已形成完整配套件产业 4.控制系统功能更加完善、强大，开放式结构趋势明显 5.机床的外观、质量水平更高 1.5机电一体化技术的发展与展望 (1).数控化和综合化 将先进的计算机及多种控制技术手段、以及高精度和自动化的工件定位系统相结合，从而形成研制和生产的加工中心，已成为数控加工技术发展的一个重要趋势。 (2).小型化和组合化 国外已把切割铣削和模具冲压多种加工方法组合在一台机床上，制成多功能的冲床，它兼有切割铣削的多功能性和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割铣削复杂外形、打孔、打标、划线等加工任务 数控铣床电气控制系统的设计第2章 系统的总体设计 a 第2章 系统的总体设计 一个较完善的机电一体化系统，包括以下几个要素：机械本体、能源部分、测试传感部分、驱动装置、控制及信息处理单元，各要素之间通过接口相联系。 2.1机械部分 机械部分设计与分析将根据机械设计原理提出几种机械设计方案，并对这些方案进行比较选择，阐明设计方案选择的理由以及所采用方案的特点；同时，就设计过程阐述本人对有关设计的一些表述. 本设计是一个主要用于教学实验用的数控铣床系统，是要对零件进行铣削加工的。我们要论证教学实验用的数控铣床系统的总体方案，就需要对该系统有一个整体的了解。下图就是数控铣床加工系统的简图。 要进行总体方案论证，先要熟悉设计参数，我们才能以此为依据进行取舍。下面就是我们这次设计的参数。 教学实验用的数控铣床系统，其工作参数如下： 机床尺寸（宽 长 高）：760 1475 1400 ( ) 最大加工范围(X Y Z)：400 300 150 ( ) 主轴电机功率： 60 (W) 主轴转速： 3000 (r/min) 工作台尺寸 160 160 ( ) 空间加工范围 170 160 ( ) 工作台最大承重 s50 () 工作速度 05 (min) 快速移动速度 8 min 数控铣床的结构形式有很多，通过对其主要的结构形式的分析，大体上最常见的可分为如下两类： 工件沿X坐标方向移动的类型 这类机床主要采用的是龙门式结构，其工作的原理为：工作台沿X方向移动。而Y坐标则为打印头在由双立柱及横梁构成的龙门上的运动，既可用于二、三坐标作平面铣削，又可以扩展为四坐标机床用于切割管件和型材，还能构成五坐标机床加工空间曲面。这类机床的规格尺寸较大。 另外工件沿X坐标方向移动式结构还有两种悬臂式的结构,一者是为工作台沿X坐标方向移动，另一者为工件及夹具同时沿X坐标方向移动，其规格尺寸都比龙门式的要小。 工件沿X,Y二坐标方向移动的类型 这类机床多为单纯用于切割的二、三坐标机床，其切割头悬臂伸出，在水平面内并无移动；而工件则可以沿X、Y两个方向运动，这类机床的结构比较简单，规格尺寸也较小，最大2000x1500（mm mm）。 工件沿二坐标方向移动的类型又可分为十字工作台式和工件与夹具移动式两种；前者工件与工作台连动，规格更小些；后者规格尺寸稍大，工作台固定不动，而工件则由夹具夹持着移动，大多是与自动冲裁技术结合在一起成为可完成切割铣削，冲裁等多种加工功能的多功能机床。 2.2电气控制系统方案 要实现对机电一体化的数控铣床的有效控制，这样的电气控制系统有多种方案可以选择。其中最主要的是采用：采用单片机的控制系统；采用了集成DSP芯片的控制板与PC机相联系的控制系统；采用PLC与PC机相联系的控制系统。 各控制系统方案的特点与比较： 采用单片机的控制系统 所谓的单片机即是一块集成了CPU、RAM、ROM(EPROM或EEPROM)、定时/计数器、时钟、多种功能的串行和并行I/O口的芯片。如Intel公司的8031系列等。除了以上基本功能外，有的单片机还集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。 概括起来说，单片机具有如下特点： （1）可靠性好。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰优于一般通用CPU；程序指令，常数，表格固化在ROM中不易破坏；许多信号通道都在一个芯片内部，故可靠性高。 （2）易于扩展。片内具有计算机正常运行所必须的部件，芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行I/O管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 （3）控制功能强。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有丰富的条件分支、I/O口的逻辑操作以及位处理指令。一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。 （4）单片机一般采用了面向控制的指令。 （5）价格低廉。如低档单片机价格只有几元钱。开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多,后备人才充足。并且国内大多数高校都开设了单片机课程和单片机实验。 采用PC与PLC相联系的控制系统 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）是以微处理器为核心的工业控制装置。它是计算机家族中的一员，是为了工业控制应用而设计的，主要用于代替继电器实现逻辑控制。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种控制装置将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有高可靠性，灵活通用，易于编程，使用方便等特点，而且随着技术的发展，它的功能早已大大超出了逻辑控制的范围，因此近年来在工业自动控制，机电一体化，改造传统产业方面得到广泛地应用。 虽然各种PLC的组成各不相同，但是在结构上是基本相同的，一般由CPU，存储器，输入输出设备（I/O）和其他的可选部件组成。CPU是PLC的核心，它用于输入各种指令，完成预定的任务。自整定，预测控制和模糊控制等先进的控制算法也已经在CPU中得到了应用存储器包括随机存储器RAM和只读存储器ROM，通常将程序以及所有的固定参数固化在ROM中，RAM则为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间；输入输出系统（I/O）使过程状态和参数输入到PLC的通道以及实时控制信号输出的通道，这些通道可以有模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出、脉冲量输入等，使PLC的应用十分广泛。 在本控制系统中，PLC模块除了能够实现对机床各轴的顺序运动控制功能，还能实现X,Y轴的插补运动控制功能。 所以选择PC与PLC相联系的控制系统。 数控铣床电气控制系统的设计第3章 数控铣床机械部分设计 a 第3章 数控铣床机械部分设计 数控铣床是由机械设备与数控系统组成的适用于平面零件加工的高效自动化机床。由于数控铣床由计算机控制，所以能自动完成铣、钻、镗、铰、攻螺纹等多种工序的加工，因此能使生产效率和自动化程度大大提高。数控铣床整体上可以划分为电气控制和机械本体两大部分。微型数控铣床的机械本体，是系统电气控制部分的控制对象。它的结构和功能基本上决定了整个实验系统的功能。 3.1 微型数控铣床机械本体的组成和结构 3.1.1数控铣床的分类和选型 数控铣床可按多种方法分类。例如:按主轴在空间所处的状态可分为立式数控铣床和卧式数控铣床;按运动坐标数和同时控制的坐标数可分为三轴二联动、三轴三联动、四轴三联动、五轴四联动等; 按加工精度又可分为普通数控铣床和高精度数控铣床。为了把数控铣床的特征表述得更清楚，常在立式或卧式数控铣床之后，同时说明是什么控制系统、几轴几联动或其它特性。 每台数控铣床都有一定的规格和功能范围，也有最佳的使用范围。卧式数控铣床适合于加工箱体零件、泵体、阀体和壳体等。立式数控铣床适于加工复杂轮廓、曲面及板类零件等。规格相近的卧式数控铣床比立式数控铣床价格要高，但卧式数控铣床的工艺性比较广泛。 实际的数控铣床选型过程，主要是:(1)按己定的主要被加工零件来选择数控铣床的规格(主要指工作台尺寸、坐标数量、坐标行程以及主轴功率等)，一般应使工作台面稍大于零件尺寸，以便给安装夹具留出空间;(2)根据典型零件关键部位的加工精度选择机床的精度等级(定位精度、铣圆精度);(3)选择数控系统的功能:(4)选择自动换刀装置;(5)选择数控铣床的附件和技术服务等。 本系统中，数控铣床主要用于教学演示，让学生了解数控铣床的基本结构、功能和控制方法。因此，数控铣床的基本组成和结构主要根据教学实验目的来确定。 3.1.2 微型数控铣床机械本体的布局 根据系统拟达到的各种实验功能，本文设计了一台卧式微型数控铣床。为了确保实验系统的开放性和灵活性，微型数控铣床的机械本体始终贯彻模块化设计原则。整个机械本体由:(1)X轴系;(2)Y轴系;(3)Z轴系这三大模块组成，其布局如图3-1所示。 图3-1机械本体结构布局图 上述三个模块在结构上具有很大的独立性和相对完整性。 这样可以使教学演示实验更加简单明了，使学生对知识的学习有一定的系统性。 3.2 机电一体化工作台的设计 由于是用于教学实验，所以机电一体化工作台的设计尺寸是按照机床原尺寸进行了缩小，其布局见图3-l。机电一体化工作台有三个运动轴:X, Y,和Z轴。按照系统的功能设计，X轴、Z轴由步进电机驱动，可以方便实现两轴联动;Y轴由交流伺服电机驱动，给学生学习伺服驱动提供条件。这样的设计使学生可以学到各种电机的控制方法，使整个系统的功能覆盖面更广。 3.2.1工作台的主要参数 机电一体化工作台的主要技术参数如表3-1所示。 表3-1 工作台的主要技术参数 技 术 规 格 单 位 参 数 工作台尺寸：长*宽 mm 200*200 行程 X轴 mm 300 Y轴 mm 300 Z轴 mm 300 进给速度（X、Y、Z轴） mm / min 11200 快移速度（X、Y、Z轴） mm / min 1500 3.2.2 X、Z轴的结构设计 X轴和Z轴均由步进电机驱动，两者的工作原理相同:步进电机轴与滚珠丝杠之间用联轴节直接相联，由步进电机带动滚珠丝杠转动，两者之间的传动比为1;再由滚珠丝杠带动滑台作直线进给运动。 X轴的机械结构如图3-2所示。滑台与三个直线轴承套联结，由两根相互平行的直线轴承支撑，每根直线轴承由两个支承固定;滑台垂直方向上所受的力通过直线轴承传递给支承，再传递到底座上;直线轴承不仅承受了X轴滑台垂直方向上的力，还对滑台的运动起导向作用。为了限定工作台在规定的范围内运动，在X向导轨的两个极限位置设置两个接近开关作为限位开关，当工作台接近限位开关时，限位开关发出极限位置报替信号，由控制系统进行处理;同样，还设置了另一个接近开关作为工作台X轴向的原位检测开关。Z轴和Y轴上的位置检测开关的设置跟X轴是相同的。同时，为了让学生对工作台的运动有一个直观的认识，分别在X轴、Y轴的两个限位开关之间安置了刻度尺，通过刻度尺可以读出工作台的位移量。 图3-2 X轴的机械结构 如上所述，X轴向直线进给运动是由滚珠丝杠驱动的。对滚珠丝杠采用两端固定的支承方式。在装配时，除了应严格保证两直线轴承导轨平行、运动灵活外，还应该严格保证滚珠丝杠与直线轴承导轨之间的平行，且运动灵活。 Z轴的机械结构与X轴基本相同，如图3-3所示。它安装在Y轴滑台上。由于Z轴的进给方向与重力方向平行，直线轴承只保证进给方向，不承受Z轴滑台以及安装在其上的主轴所受的重力。当进给方向与重力方向相同时，重力成了进给驱动力;当进给方向与重力方向相反时，重力成了进给阻碍力。这对进给驱动控制是非常不利的。解决这个问题的有效途径是设计一个平衡重，抵消重力对进给驱动力的影响。理论上这个平衡重的质量应该等于Z轴滑台的质量与主轴质量的和。 图3-3 Z轴的机械结构 3.3 机械部分设计与计算 3.3.1 已知条件 1微型数控铣床的设计数据 进给电机 1.5KW 1400r/min 最大水平拖动力100kg=1000N 进给最大速度 纵向2.3m/min 横向2.3m/min 升降台0.77m/min 工件最大重量20kg=200N 机动范围 纵向300mm 横向300mm 升降150mm 2工艺数据 工件加工余量： 最大铣削宽度7mm 最大铣削深度40mm 刀具数据： 高速钢圆柱铣刀 直径3240mm 斜刀齿数34 工艺数据：主轴转速150190r/min 走刀速度4060mm/min 每齿切厚为0.050.2mm 取0.1mm计算 3机床进给部件重量估计 纵向（X轴）工作台，长500mm,约重15kg=150N 横向（Z轴）工作台，约为30kg=300N 升降（Y轴）部分运动件约重50kg=500N 为了防止升降台自行下滑，原机床设置有单向超越离合器及摩擦片制动器，而且为了保证工作可靠，将摩擦阻力调到略大于升降台的重力，在数控改造后仍要保留此功能，这样在实际运动时下降的阻力最大，按600N计算。 3.3.2滚珠丝杠螺母副的选用设计 选择滚珠螺杆时,首先要尽量地调查清楚运转条件再决定设计,这是最基本的原则。而且，选择的要素有负荷重量、冲程、力距、定位精度、重复定位精度、刚性、导程、螺帽孔径等，各个要素之间都有关连，其中一项要素改变就会引起其他要素的改变，必须注意各要素之间的均衡。 1X（纵）向 （1） 铣削力的计算 根据机床设计手册，对高速钢圆柱铣刀 Fz=9.81CFZae0.86af0.72apZdo-0.86 其参数按实际加工过程中平均铣削条件铣削为准选取： 取 CFZ=68.2 ae=5mm ai=0.1mm ap=30mm Z=4 do=36mm 所以 FZ =9.81 68.2 5-0.86 0.10.72 30 4 36-0.36=3735(N) 对圆柱铣刀逆铣加工 PH=（11.2）FZ 取 PH=1.1 FZ=1.1 2793(N)=3.072(kN PV=(0.20.3) FZ 取 PV=0.25 FZ=0.25 2793(N)=0.698(kN) Po=(0.350.4) FZ 取 Po=0.375 FZ=0.375 2793(N)= 1.047(kN) 则 =3150(N)=3.15(kN) （2） 强度计算 由于是实验系统，我们采用的是两根直线轴承作为导向装置，使用铣床的燕尾型导轨工作时的轴向力Pm作为近似设计计算。 Pm=KPx+f(Py+Pz+G) K=1.4 f=0.2 Py=0 Px=2P/3=2 3.15/3=2.1(kN) Pz=Po=1.047(kN) G=15 9.8=147(kN)=0.147(kN) 所以 Pm=1.4 2.1+0.2(1.047+0.147)=3.178(kN) 寿命值 Li=60niTi/106=60 10 15000/106=9 取 fw=1.2 fH=1.1 则最大动负载 根据最大负载Q的值，可查表选取滚珠丝杠的型号。 如选FC1B25 5，其动负载为11.67kN,远大于Q值，所以强度足够。 （3） 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载Pm引起的导程变化量： L1= PmLo/EF= 3.178 5/(200 4 21.8252) =0.002 10-2(mm)=0.02(um) 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2很小，可忽略。 即 L=L1 所以导程变形总误差为 =100L/Lo=100 0.02/0.5=4(um/m) 查表知选取用T5级精度丝杠允许的螺距误差为30um/m,故刚度足够。 （4） 效率计算 =3o38 =10 则传动效率 =tan/tan(+)=tan3o38/tan (3o38+10)=0.956 （5） 稳定性验算 由于采用两端固定的方式，稳定性足够。 具体参数如表3-1。 表3-1 公称直径 ?25mm 基本导程 5mm 钢球直径 ?3.175mm 丝杠大径 ?24.5mm 额定动负荷 11.67kN 额定静负荷 28.5kN 其型号为：FC1B25 53.175T5/4005-5 2 . Z（横）向 用上述同样方法可选用Z（横）向滚珠丝杠螺母副为T5级精度丝杠FC1B25 5 强度足够、刚度足够，稳定性足够，传动效率 =0.956。 具体参数如表3-2。 表3-2 公称直径 ?25mm 基本导程 5mm 钢球直径 ?3.175mm 丝杠大径 ?24.5mm 额定动负荷 11.67kN 额定静负荷 28.5kN 根据对实物的测量，横向进给丝杠的总长度为500mm，其中工作长度为300mm，故该丝杠的标准型号为：FC1B25 53.175T5/4005-5 3.3.3 导轨、轴承的选择 1.直线轴承的选用 在本实验系统的设计中采用直线轴承对滑台的运动起导向作用。 构造与特长 线性轴承是由外筒、钢珠、钢珠保持器与两端扣环所组成。 ?保持器装置于外筒之内，由两端扣环固定，使钢珠在轨道面重复循环而不至脱落。 ?外筒经充分的热处理而达到相当的硬度，以确保运动时的安全性及寿命。 ?钢珠保持器由树脂成形，它可以减少钢珠与保持器间之噪音与磨耗。 ?容许使用温度为80以内。 1高精度、高刚度、低噪音 线性轴承具有高硬度的外筒和钢珠，加上制造上严格要求，所以具有高精度；使用高拉力树脂保持器，减少了噪音量。 2装配容易 线性轴承可承受任何方向之负荷，商品标准化、规格化，与其配合之组件加工容易，在装配上容易达到要求。 轴承选择：采用两端固定支承方式。固定端采用两个角接触轴承面对面安装来承受轴向力和径向力。由于是实验系统，所受的载荷比较轻，所以根据丝杆的轴径。选择代号为：7204C的轴承，D=20,D=47,B=14. 2.联轴器的选择计算： T=9550*P/N=9550*1.5/1400=10.23N.M 33.4 执行元件步进电机的计算及选择 1步进电机脉冲当量、步距角和降速比的选择 脉冲当量p、步距角b，丝杠螺距t和降速比i之间的关系