经济型数控车床进给设计 机电一体化课程设计车床改装.doc

经济型数控车床进给设计 摘 要 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通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。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。卧式化车床的数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的，能独立运动的进给伺服系统，将手动刀架换成自动刀架的电动刀架。这样，利用数控控制，车床就可以按照预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都可以按照程序自动进行调节和更换，再加上纵向和横向的联动进给功能，所以，改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序集中车削，从而提高生产效率和加工精度。本文主要是将一台C6140卧式车床改造成经济型数控车床，采用单片机作为控制，并根据系统需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示器、I/O等。设计完成后的车床具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能，为连续控制型。其导轨组合为三角形和矩形组合，支承方式为单推-单推。关键字：数控化改造 效率和精度 单片机 导轨组合和支承方式目录1 绪论- 42 设计内容及相关要素-5 2.1 课程设计任务及相关技术参数指标- 52.2 课程设计的成果要求-62.3 课程设计工作进度计划-63 机械系统的设计-6 3.1 机械系统的纵向设计-6 3.1.1脉冲当量的选定-6 3.1.2切削力的计算-6 3.1.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向）-73.1.4同步带减速箱的设计（纵向）-10 3.1.5步进电动机的计算于选型（纵向）-13 3.1.6同步带传递功率的校核-18 3.2机械系统横向的设计- -18 3.2.1脉冲当量的确定-18 3.2.2切削力的计算-18 3.2.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型（横向）-19 3.2.4同步带减速箱的设计（横向）-23 3.2.5 步进电动机的计算于选型（横向）-23 4 控制系统的设计-28 4.1课程设计控制要求-28 4.2控制系统的设计方案-28 4.3可编程控制器PLC的选用-28 4.4驱动电路的设计-30 4.4.1控制信号的意义-30 4.4.2对于带加减速的两相脉冲输出-31 4.5 PLC的端口分配-32 4.6 PLC的梯形图设计-33 5 参考文献-3436 上海电机学院 BJ0806 彭维兵 06经济型数控车床进给设计 1、 绪论经济型数控机床进给系统设计。“主传动系统”、“纵向经给系统”和“横向进给系统”可称为车床的三大核心系统，其重要地位更是不言而喻的。三大系统的准确性、精准性必将影响加工产品的性能。为什么我国的机械制造业与西欧国家的制造业有很大的差距，这就是因为我们没有精良的加工工具或者是自动化系数远远的不及他们。制造业是关系到国计民生的大事，是富民强国的必要因素，必须在较短的时间内行程我们独立自主的现代化制造体系。随着时代的发展,科技的日新月异，数控技术的应用范围日益扩大，数控机床机器系统已成为现代化机器制造业中不可缺少的组成部分。鉴于我国机床拥有最大、工业生产规模小的特点，突出的任务是用较少的资金迅速改变机械工业落后的生产面貌，使之尽可能地提高自动化程度，保证加工质量，减轻劳动强度，提高经济效益。而实现这一任务的有效的、基本的途径就是普及应用经济型数控，并对原有的机床进行数控改造。这就是我对本课题的理解。卧式机床C6140是金属切削加工最常用的一类机床。C6140卧式车床当工件随主轴回转时，通过的刀架的纵向和横向移动，能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等，借助成型刀具，还能加工各种成型回转表面。卧式车床到家的纵向和横向进给传动，是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过经给箱变速后，由光杆或丝杠带动溜板箱、床鞍以及中滑板产生移动。进给参数依靠手工调整，改变参数时需要停车。刀架的纵向进给和横向进给不能联动，切削次序需要人工控制。对卧式车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给系统。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。从而提高生产效率和加工精度。2、 设计内容及相关要求2.1 课程设计任务及相关参数指标任务：将一台C6140卧式车床改造成经济型数控车床。主要技术指标：（1） 床身上的最大加工至今 400mm。（2） 最大加工长度 1000mm。（3） X方向（横向）的脉冲当量，Z方向（纵向）；（4） X方向最快移动速度，Z方向为；（5） X方向最快公斤速度,Z方向最快工进速度。（6） X方向定位精度，Z方向定位精度。 导轨组合：三角矩形支撑方式：单推单推2.2 课程设计成果的要求绘制系统的总装配图;进行电气控制系统设计，确定控制系统方案，选用微机（或PLC）、选用控制系统硬件（传感器、信号处理、功率放大器件等），绘制电气原理图；编写控制程序；整理设计文件，撰写设计说明书。所有图纸和设计文件尽量以计算机完成。2.3 课程设计工作进度计划（1） 分析研究设计内容，查阅资料总体方案论证设计1天；（2） 机械系统设计：5天（完成图纸）；（3） 控制系统硬件设计：3天（完成图纸）；（4） 控制系统软件设计：1天；（5） 编写设计说明书：1天；（6） 整理、修改说明书及答辩：1天。3、 机械系统的设计3.1机械系统纵向的设计3.1.1脉冲当量的选定根据设计要求，脉冲当量选定为：X方向（横向），Z方向（纵向）3.1.2切削力的计算设工件材料为碳素结构钢，；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角为，前角，刀刃角；切削用量为：背吃刀量进给量，切削速度。查表3-1得车削力公式中的系数和指数，得：，。查表3-3得加工钢或铸铁刀具几何参数改变时切削力的修正系数，得主偏角的修正系数；刃倾角、前角刀尖圆弧半径修正系数分别为1.0、1.2、1.0、0.93 。又由经验公式得 其中 切削力。由经验公式算得纵向进给切削力，背向力。3.1.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向）（1） 工作载荷的计算为工作最大载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力。已知移动部件总重，；车削力，。根据的对应关系，可得：选用矩形三角组合滑动导轨，查表3-29实验计算公式及参考系数 其中=0.16（取0.15 0.18） 得工作载荷（2） 最大动载荷的计算设本车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度，初选丝杠基本导程,则此时丝杠转速。取滚珠丝杠的使用寿命(普通机械取，数控机床及一般机电设备取；n为丝杠每分钟转速)，代入，得丝杠寿命系数。（单位为）。查表3-30得载荷系数，取载荷系数（平稳或轻度冲击1.01.2），再取硬度系数（大于58HRC时取1.0），代入公式：得最大动载荷。（3） 初选滚珠丝杠副型号根据计算出的最大动载荷，且额定动载荷要大于最大动载荷，额定静载荷要大于三倍的最大动载荷，根据额定动载荷查表3-33得滚珠丝杠副尺寸参数选定FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径，基本导程为，双螺母滚珠总圈数GD为32=6圈，精度等级取4，额定动载荷为，满足要求。（4） 传动效率的计算将公称直径，基本导程，代入公式得丝杠螺旋升角。取摩擦角（摩擦角一般取10），代入公式，得传动效率0.942。（5） 刚度的验算1、 纵向滚珠丝杠副的支承，采取双推双推结构。丝杠加上两端接杆后，左、右支承中心距离约为1497mm；刚的弹性模量；查表3-33得滚珠直径，由丝杠底径=公称直径 - 滚珠直径，得丝杠底径；则丝杠截面积。则此时丝杠的拉伸或压缩变形量；丝杠按底径确定的截面惯性矩（）,单位为；（其中“+”号用于拉伸，“-”用于压缩。由于转矩M一般较小，式中第二项在计算是可酌情忽略）。2、 根据公式（3-26、3-27）无预紧时：；有预紧时：；滚珠直径，单位为mm；滚珠总数量，； 单圈滚珠数，（外循环），(内循环）；预紧力，单位为N。当滚珠丝杠副有预紧力，且预紧力达轴向工作载荷的时，值可减小一半左右。单圈滚珠数；滚珠总数量；当滚珠丝杠副有预紧时 ，则。因为丝杠有加预紧，且为轴向负载的三分之一，所以实际变形量可减少一半，取。3、 刚度验算，将代入。得总变形量。由表3-27形成偏差和变动量知，在4级公差等级下，在1250 1600mm的有效行程内行程的变动量允许，所以总的变形量，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性的计算滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷应满足：临界载荷，单位为N；丝杠支承系数；压杆稳定安全系数，一般取为2.5 4，垂直安装时取小值； 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm。查表得双推双推丝杠支承系数;有丝杠的底径，丝杠的截面惯性矩，压杆稳定安全系数K取3，滚珠丝杠两端支承间的距离，代入上上式，得失稳时的临界载荷远远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。3.1.4同步带减速箱的设计（纵向）为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，传动链中常采用减速传动。设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传递的功率P；主动轮转速n和传动比I;传动系统的位置和工作条件。根据改造经验，C6140车床纵向步进电动机的最大经转矩通常在1525Nm之间选择。先初选电动机型号110BYG5802。传动比i的确定已知布距角，Z方向（纵向）脉冲当量。传动比 （1） 主动轮最高转速由Z方向（纵向）最快移动速度，由公式可算出主动轮最高转速（2） 确定带的设计功率预选的步进电动机在转速为 1000/min时，对应的步进脉冲频率为：。当脉冲频率为83333Hz，电动机输出转矩约为5N.m，对应的输出功率为：,从表3-18中取得同步带工作情况系数,又由（4）选择带型和节距根据带的设计功率可在表3-10中选择同步带类型为L（轻型）和其节距（5）确定小带轮齿数和小带轮节圆直径应使，根据表3-17差的，取得，故小带轮节圆直径，如表3-16所示；小带轮节圆直径初定后验算带速，（极限带速为：MXL、XXL、XL型，；L、H型，；XH、XXH型，）。（6）确定大带轮齿数和大带轮节圆直径大齿轮齿数，节圆直径（7） 初定中心距、带的节线长度、带的齿数。初定中心距，取整，由公式：得，查表3-13选取接近的标准节线，相应齿数。（8） 计算实际中心距实际中心距公式为得实际中心距。（9）校验带和小带的啮合齿数啮合齿数：，式中，ent(x)为取整函数。一般情况下，应保证。得啮合齿数,满足要求.（10）计算基准额定功率（所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率）：，式中：所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率;带宽为时的许用工作拉力；带宽为时的单位长度的质量；同步带的线速度。查表3-21求得（11） 确定同步带的宽度，式中：选定型号的基准带宽；小带轮啮合齿数系数。由表3-22求得带宽，再根据表3-11得（12）带的工作能力验算根据式啮合齿数，；齿宽系数，；基准带宽为时的许用工作拉力，；带宽为时的单位长度的质量，；同步带的线速度，。以求得，而，。因此工作带能力合格。同理可得横向，改变移动部件总重G=750N，同理得到。3.1.5步进电动机的计算与选型（纵向）（1） 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径，总长（带接杆），导程，材料密度=7.85kg/；横向移动部件总重量G=650N；同步带减速箱大带轮宽度b=30mm（选择单边挡圈带轮带轮，查表3-15得最小宽度故取30mm满足条件），节径58.2mm,孔径30mm，轮毂外径42mm，宽度14mm；小带轮宽度28mm，节径48.5mm，孔径19mm，轮毂外径29mm，宽度12mm，传动比i=1.2。参照表4-1，可以算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量可由：圆柱体质量；圆柱体直径，。得，；床鞍折算到电机轴上的转动惯量；床鞍折算到丝杠上的转动惯量；小带轮的转动惯量；大带轮的转动惯量。在设计减速箱时，初选的纵向步进电动机型号为130BYG5501，从表4-5查的该型号电动机转子的转动惯量，则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：（2）计算加在步进电动机转轴撒谎能够的等效负载转矩分快速空载运动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1、 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由式可知，包括三个部分：快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；移动不见折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；滚珠丝杠预警后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式滚珠丝杠的预紧力，一般取滚珠丝杠的工作载荷的1/3；滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取。可知相对于很小，可以忽略不计。则有快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：步进电动机转轴上的总转动惯量； 电动机转轴的角加速度；对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速;步进电动机有静止到加速至转速所需要的时间 。其中：，纵向空载最快移动速度，任务书指定为5000mm/min； 纵向步进电动机步矩角为； 纵向脉冲当量，。代入式中，的。设步进电动机由静止到加速至转速所需时间（加速时间一般在0.31s之间），纵向传动链总效率（传动总链数一般取0.70.85）；则由式，得。由式可知，移动部件运动时，折算到电机轴上的转矩摩擦为：，导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.004；垂直方向的工作负载，空载时取0；纵向传动总效率，取0.8；总传动比，电动机转速比丝杠转速，1000/833.33333=1.2 。则由式得，最后由式，求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩为：2、 最大工作负载转台下电动机转轴所承受的负载转矩由式可知，包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩,移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，滚珠丝杠预警后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。相对于和很小，可忽略不计。则有：其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载由式：计算。在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷，则有：。再由式计算承受最大工作负载（=2615.1N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：由式求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩：3、 步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压减低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑到安全系数。这里取安全系数K=4（对于开环系统K一般在2.54之间选取，在此选取4），则步进电动机的最大静转矩应满足：。对于前面预选的130BYG5501行步进电动机，由表可知，其最大静转矩，可见完全满足式的要求。（3）步进电动机的性能校核1、最快工进速度时电动机输出转矩校核任务书给定纵向最快工进速度，脉冲当量，由式求出电动机对应的运行频率。从130BYG5501的运行矩频特性图6-4可以看出，在次频率下，电动机的输出转矩，远远大于最大工作负载转矩，满足要求。2、 最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定纵向最快空载移动速度，仿照式求出电动机对应的运行频率。从图6-4查得，在此频率下电动机的输出转矩，大于快速空载启动时的负载转矩，满足要求。3、 最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度，对应的电动机运行频率。查表4-5得130BYG5501的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出范围。4、 启动频率的计算已知电动机转轴上的总惯量，电动机转子自身的转动惯量，查表4-5可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率。则由式可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为：。上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于1087Hz。实际上，在采用软件升降时，启动频率选得很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，这里纵向进给系统选用130BYG5501步进电动机，可以满足设计要求。3.1.6同步带传递功率的校核分两种情况分别进行校核（1）快速空载启动电动机从静止到加速至，由式可知，同步带传递的负载转矩，传递的功率为：（2） 最大工作负载，最快工进速度由式可知，带需要传递的最大工作负载转矩，任务书给定最快工进速度，对应电动机转速。传递的功。 可见，两种情况下同步带传递的负载率均小于带的额定功率0.697KW。因此，选择的同步带功率合格。3.2机械系统横向的设计3.2.1脉冲当量的确定根据设计要求，X方向（横向）的脉冲当量为，Z方向（纵向）为。3.2.2切削力的计算设工件材料为碳素结构钢，；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角为，前角，刀刃角；切削用量为：背吃刀量进给量，切削速度。查表3-1得车削力公式中的系数和指数，得：，。查表3-3得加工钢或铸铁刀具几何参数改变时切削力的修正系数，得主偏角的修正系数；刃倾角、前角刀尖圆弧半径修正系数分别为1.0、1.2、1.0、0.93 。又由经验公式得 其中 切削力。由经验公式算得纵向进给切削力，背向力。3.2.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型（横向）（1）工作载荷的计算为工作最大载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力。已知移动部件总重，；则横向去G=650N,车削力，。根据的对应关系，可得：选用滚动导轨，查表3-29实验计算公式及参考系数 其中=0.004（取0.0030.005） 得工作载荷（2）最大动载荷的计算设本车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度，初选丝杠基本导程,则此时丝杠转速。取滚珠丝杠的使用寿命(普通机械取，数控机床及一般机电设备取；n为丝杠每分钟转速)，代入，得丝杠寿命系数。（单位为）。查表3-30得载荷系数，取载荷系数（平稳或轻度冲击1.01.2），再取硬度系数（大于58HRC时取1.0），代入公式：得最大动载荷。（3）初选滚珠丝杠副型号根据计算出的最大动载荷，且额定动载荷要大于最大动载荷，额定静载荷要大于三倍的最大动载荷，根据额定动载荷查表3-31得滚珠丝杠副尺寸参数选定FL2004型滚珠丝杠副。其公称直径，基本导程为，双螺母滚珠总圈数GD为32=6圈，精度等级取4，额定动载荷为，满足要求。（4） 传动效率的计算将公称直径，基本导程，代入得丝杠螺旋升角。将摩擦角分，代入，得传动效率 。（一般在0.80.9之间，摩擦角一般取10）（5）刚度的验算1、纵向滚珠丝杠副的支承，采取双推双推结构。丝杠加上两端接杆后，左、右支承中心距离约为1000mm；刚的弹性模量；查表3-33得滚珠直径，由丝杠底径=公称直径 - 滚珠直径，得丝杠底径；则丝杠截面积。则此时丝杠的拉伸或压缩变形量；丝杠按底径确定的截面惯性矩（）,单位为；（其中“+”号用于拉伸，“-”用于压缩。由于转矩M一般较小，式中第二项在计算是可酌情忽略）。2、根据公式（3-26、3-27）无预紧时：；有预紧时：；滚珠直径，单位为mm；滚珠总数量，； 单圈滚珠数，（外循环），(内循环）；预紧力，单位为N。当滚珠丝杠副有预紧力，且预紧力达轴向工作载荷的时，值可减小一半左右。单圈滚珠数；滚珠总数量；当滚珠丝杠副有预紧时 ，则。因为丝杠有加预紧，且为轴向负载的三分之一，所以实际变形量可减少一半，取。3、刚度验算，将代入。得总变形量。由表3-27形成偏差和变动量知，在4级公差等级下，在1000 1250mm的有效行程内行程的变动量允许，所以总的变形量，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性的计算滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷应满足：临界载荷，单位为N；丝杠支承系数；压杆稳定安全系数，一般取为2.5 4，垂直安装时取小值； 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm。查表得双推双推丝杠支承系数;有丝杠的底径，丝杠的截面惯性矩，压杆稳定安全系数K取3，滚珠丝杠两端支承间的距离，代入上上式，得失稳时的临界载荷远远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。3.2.4同步带减速箱的设计（横向）为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，传动链中常采用减速传动。设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传递的功率P；主动轮转速n和传动比I;传动系统的位置和工作条件。根据改造经验，C6140车床纵向步进电动机的最大经转矩通常在1525Nm之间选择。先初选电动机型号110BYG5802。（1）传动比i的确定已知电动机的步距角=0.45,脉冲当量=0.005mm/脉冲（横向脉冲当量为0.005mm/脉冲，纵向脉冲当量应该取0.01mm/脉冲，脉冲当量通常要小于定位精度，课题要求横向定位精度为0.02mm，纵向定位精度为0.05mm）求得i=1。因传动比小于等于一，无需减速，故横向系统可不用减速箱。3.2.5 步进电动机的计算于选型（横向）（2） 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径，总长（带接杆），导程，材料密度=7.85kg/；纵向移动部件总重量G=1300N；同步带减速箱大带轮宽度28mm(选择双边挡圈带轮，查表3-15得其最小宽度为26.7mm故取28mm满足条件)，节径为109.15mm，孔径30mm，轮毂外径42mm，宽度14mm；小带轮宽度28mm，节径84.89mm，孔径19mm，轮毂外径29mm，宽度12mm，传动比i=1。参照表4-1，可以算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量可由：圆柱体质量；圆柱体直径，。得，；床鞍折算到电机轴上的转动惯量；床鞍折算到丝杠上的转动惯量；小带轮的转动惯量；大带轮的转动惯量。在设计减速箱时，初选的横向步进电动机型号为110BYG5802，从表4-5查的该型号电动机转子的转动惯量，则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩分快速空载运动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1、快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由式可知，包括三个部分：快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；移动不见折算时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；滚珠丝杠预警后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式滚珠丝杠的预紧力，一般取滚珠丝杠的工作载荷的1/3；滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取。可知相对于很小，可以忽略不计。则有快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：步进电动机转轴上的总转动惯量； 电动机转轴的角加速度；对应纵向空载最快移动速度的步进电动机最高转速;步进电动机有静止到加速至转速所需要的时间 。其中：，横向空载最快移动速度，任务书指定为2000mm/min； 横向步进电动机步矩角为； 横向脉冲当量，。代入式中，的。设步进电动机由静止到加速至转速所需时间（加速时间一般在0.31s之间），横向传动链总效率（传动总链数一般取0.70.85）；则由式，得。由式可知，移动部件运动时，折算到电机轴上的转矩摩擦为：，导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.004；垂直方向的工作负载，空载时取0；横向传动总效率，取0.8；总传动比，电动机转速比丝杠转速，1 。则由式得，最后由式，求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩为：。2、最大工作负载转台下电动机转轴所承受的负载转矩由式可知，包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩,移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，滚珠丝杠预警后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。相对于和很小，可忽略不计。则有：其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载由式：计算。在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷，则有：。再由式计算承受最大工作负载（=2615.1N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：由式求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩：（3）步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压减低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑到安全系数。这里取安全系数K=4（对于开环系统K一般在2.54之间选取，在此选取4），则步进电动机的最大静转矩应满足：。对于前面预选的110BYG5802行步进电动机，由表可知，其最大静转矩，可见完全满足式的要求。（4）步进电动机的性能校核1、最快工进速度时电动机输出转矩校核任务书给定横向最快工进速度，脉冲当量，由式求出电动机对应的运行频率。从110BYG5501的运行矩频特性图6-4可以看出，在次频率下，电动机的输出转矩 ，远远大于最大工作负载转矩，满足要求。2、最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定横向最快空载移动速度2000mm/min，仿照式求出电动机对应的运行频率2000/（600.005）Hz6666.7 Hz。从图6-4查得，在此频率下电动机的输出转矩，大于快速空载启动时的负载转矩，满足要求。3、最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度，对应的电动机运行频率。查表4-5得110BYG5802的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出范围。4）启动频率的计算已知电动机转轴上的总惯量，电动机转子自身的转动惯量，查表4-5可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率。则由式可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为：上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于1738Hz。实际上，在采用软件升降时，启动频率选得很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，这里横向进给系统选用110BYG5802步进电动机，可以满足设计要求。4、 控制系统的设计4.1课程设计控制要求控制X、Y向快进、工进、快退；控制冷却泵的开关；控制主轴的正反转与停止；车螺纹等。4.2控制系统的设计方案机床控制除了手动外、还有自动和回零点等操作方式。驱动步进电机脉冲信号由编程产生，通过程序产生不同频率脉冲实现变速。X、Z向动作可通过输入手动操作或程序自动控制。车螺纹的脉冲信号由主轴脉冲发生器产生，通过与门电路接入PLC输入端，经PLC程序变频得到所需导程的脉冲。冷却泵、车刀进、退可由手动或自动程序控制。X方向的脉冲当量：0.005mm/脉冲Z方向的脉冲当量：0.01mm/脉冲4.3可编程控制器PLC的选用类型I/O点数超小型64以下小型64128中型128512大型5128192超大型8192以上PLC分类PLC一般可以通过三种方式进行编程。一种是厂家提供的普通手持式编程器编程,一般只能用厂家规定的语句表中的语句进行编程。手持式编程器编程体积小,便于携带,价格较低,对于系统容量小,在编程工作量小的场合比较合适,但这种编程方式的效率低。另一种是用厂家专用图形编程器编程,这类编程器采用梯形图编程,方便直观,一般的技术人员短期内就可应用自如,但这类编程器价格较高。第三种是在普通计算机上运行专用的编程软件来编程,支持的编程语言多,编程操作非常方便,这种方式现在已被大多数用户采用,但有的编程软件需额外购买,价格不菲。编程语言多种多样,有的看似相同却不通用。根据国际电工委员会制定的工业控制5种标准编程语言(IEC 1131-3),划分为以下5类编程语言: 梯形图(LD)、顺序功能图(SFC)、功能块图(FBD)、结构化文本(ST)、指令表(IL)。由PL C厂家提供的编程软件一般都要求包括上述一种或几种编程语言,如Siemens公司的Step7编程软件就可以使用梯形图(Ladder)、语句表(STL)等多种编程语言;Modicon公司的Modsoft编程软件只能使用梯形图编程,而Concept编程软件可以使用5种编程语言。另外,有的系统内嵌BASIC或C语言使得可编程控制器的编程功能变得更加强大,适用性更广泛,如GE的内嵌BASIC语言、浙大中控的C规范功能模块等。综上所述，选择在此次的设计中选用三菱FX1S-30MT-001微型可编程控制器，该可编程控制器为一体式可编程控制器。构成：电源、CPU、存储器、输入输出组成一个单元的可编程控制器，同时在AC电源DC输入型中内置传感器用的DC24V电源。I/O点数：输入输出合计点数有10、14、20、30等4种（不可以增加输入输出扩展单元或扩展模块）。开关：通过内置开关可进行RUN/STOP操作。同时，也可以从外围设备或一般输入端子下达RUN/STOP指令。内置模拟电路：在该PLC中内2个用于调整定时器设定时间的模拟电位器。如果装上FX1N-8AV-BD形模拟电位器选件时，可追加到10个。程序内存：按照标准，内置2K步EEPROM（不需电池）。也可使用选件FX1N-EEPROM-8L式存储盒（内置8K步，FX1S可使用2K）进行程序的读/写。时钟功能：PLC中内置时钟功能，可行进时间控制。如果装上FX1N-50M型显示模块，可简单进行时间显示和设定。通用的外围设备：可使用FX系列共用的外围设备。同时，也有可以对A/QnA/Q/FX系列进行编程的Windows版编程软件。写入：采用计算机软件能在可编程控制器RUN时变更程序。基本单元的输入输出高高速处理功能：输入：（1）高速计数功能（2）脉冲捕捉功能：不用编制复杂程序，就能捕捉到最小10us(XO,X1)或者50us（X2-X5）的短信号。（3）外部中断功能：通过最小10us(X0,X1)或者50us（X2-X5）的外部信号，可优先处理中断程序（也有定时中断功能）。输出：脉冲输出功能：2点可以同时输出最高可达100KHZ的脉冲。（晶体管输出型基本单元）有脉冲输出指令（PLSY）、带加减速脉冲输出命令（PLSR）等定位专用命令，编程方便。三菱PLC可编程控制器FX1S-30MT-0014.4驱动电路的设计4.4.1控制信号的意义PUL SE:脉冲信号,每一个脉冲的上升沿使电机转动一步。DIR:方向信号,与PUL SE信号配合使用,低电平电机顺时针旋转,高电平,电机逆时针旋转。CW:正转信号,每个脉冲使电机正向转动一步(与CCW信号配合)。CCW:反转信号,每个脉冲使电机反向转动一步(与CW信号配合)。PUL SE+与CW+,PUL SE-与CW-,DIR+与CCW+,DIR-与CCW-对应同一个接口,按控制方式不同给出两种定义名称;STEP1、STEP2用于设置电机每转步数,可以设为500、1000、5000和10000。PULSESYS拨码开关用于设置控制方式,OFF时为“脉冲和方向”控制方式,ON时为“正转和反转”控制方式。控制信号要求7mA高电流25mA,-25mA低电流0.2mA,由于PLC的控制电源多配置24V开关电源,此时可以串接1.8K的限流电阻。步进电机及其驱动系统与数字控制系统配套时,体现出更大的优越性。PLC对于步进电机的控制4.4.2对于带加减速的两相脉冲输出带加减速单轴正反转运控制的控制接线及时序如图所示,图中用两相脉冲输出CW/CCW方式进行控制,也可以用Pulse+Direction方式控制。时序图4.5 PLC的端口分配根据设计要求，设计的车床操作分为：起点总停、Z、X向快进、工进、快退；主轴正、反转；回原点、手动、自动、车螺纹转换。因此，输入需19点。根据控制原理图图，可知输出需11点。输入端（X）端口分配情况：名称代号输入名称代号输入启动SQ1X1X方向快进SQ11X11停止SQ2X2X方向工进SQ12X12回原点SQ3X3X方向后退SQ13X13自动操作SQ4X4Z方向快进SQ14X14手动操作SQ5X5Z方向工进SQ15X15车螺纹操作SQ6X6Z方向后退SQ16X16X正方向限位开关SQ7X7主轴正转SQ20X20X负方向限位开关SQ8X8主轴反转SQ21X21Z正方向限位开关SQ9X9冷却泵开SQ22X22Z