加工机床数控系统及总体结构设计

摘要本次设计的题目是“CXF450复合加工机床总体结构及数控系统设计”，包括总体方案的比较与制定、主轴/副主轴单元、工作台与两坐标回转工作台、铣削电主轴、床身、控制系统电控柜、机床外型结构及总体布局；数控系统设计；数控系统关键部件设计；控制电路设计；相关机械部件的校核设计。关键词：卧式复合加工机床总体结构数控系统变频调速AbstractTheprojecttopicis“CXF450compoundprocessingmachinetooloverallstructureanddesignofNCsystem”includingthecomparisonwiththeoverallprogramdevelopment,spindle/sub-spindleunit,tablewithtwocoordinatesrotarytable,millingmotorizedspindle,lathebed,controlsystemcontrolcabinet,machineoutlinestructureandoverallarrangement,numericalcontrolsystemdesign,numericalcontrolsystemdesignofthekeyparts,thecontrolcircuitdesign,mechanicalpartsofthecheckdesign.KeyWords：HorizontalComplicatingMachine-toolOverallStructureNumericalControlSystemBearingScrew一、引言.本文简要的叙述了“CXF450复合加工机床总体结构及数控系统设计”设计全过程。随着时代的发展，自动化变得越来越重要，而且效率也是也是现在影响一个企业利益的一个重要因素，可以说它直接影响到企业的发展，而数控机床就可以利用全自动化来提高效率，因此，数控系统是数控机床很重要的一部分。二、总体方案的制定.一、机床总体的设计参数1、CXF450复合加工机床一次装夹，实现车、铣、钻复合加工和雕刻图案。适用于具有回转特征和小结构特征的零件如整体叶盘、盘轴等的加工。2、最大回转直径450mm，最大加工长度1200mm。3、主轴/副主轴驱动采用交流变频调速电机皮带轮/齿轮主轴的传动方式，主轴/副主轴转速6000rpm，铣削电主轴转速8000rpm。4、双轴数控回转工作台可以绕Z轴做360回转、绕X轴座30120回转，回转最小分度值一般为0.001，回转速度10rpm。5、机床X、Z直线位移坐标进给移动导轨采用滚动导轨（帖塑）或燕尾导轨进给驱动采用伺服电机联轴器滚珠丝杠副工作台/主轴单元的传动方式进给定位精度0.005mm切削进给速度10m/min快速进给速度10m/min6、切削进给速度10m/min二、设计内容1总体方案设计包括主轴/副主轴单元、工作台与两坐标回转工作台、铣削电主轴、床身、控制系统电控柜的机床外型结构及总体布局；2数控系统设计；3数控系统关键部件设计；4控制电路设计；5相关机械部件的校核设计。三此机床的组成有1、机床基础件，床身，底座，立柱，滑座，工作台等，起支撑作用；2、主传动系统，实现主运动；3、进给系统，实现进给运动；4、实现某些部件动作和某些辅助功能的装置，液压，气动，润滑，冷却，防护，排屑；5、实现工件回转，分度定位的装置和附件，回转工作台；6、特殊功能装置，如刀具破损监测、精度检测和监控装置等。本次设计中，设计平台选用了Pro/E，其好处是一方面可以比较直观的看见各种部件的实际结构，另外一方面也可以很容易的由三维实体图生成工程图。以下两图分别是两个方案的总体尺寸联系图。2.4整体方案的比较该机床的铣削动力头置于圆工作台上，再配以圆工作台在工作平面内的转位和垂直于工作面的上下摆动即可完成该机床对工件的铣削要求。以下图是满足该机床功能的两种方案：方案一1.主轴组件2.床身3.铣削动力头4.圆工作台组件5.尾座组件6.Z轴电机7.Z轴进给机构方案二由两方案的总体图可以看出：方案一：没有Y轴方向的进给，在Y方向的位移是靠圆工作台的上下摆动来完成，这样就少了一个联动轴数，简化了数控系统的复杂性。方案二;该方案采用两个主轴，增强了机床的性能，铣削动力头和圆工作台安装在立柱的斜托板上，很好的解决了铣削时铣刀的方向问题，同时该方案增加了Y方向的进给，所以在控制上较方案一复杂；该方案把车削和铣削部分分开，并把车刀架做成八方刀架，除了安装车刀外，还配以转头、镗刀和车削动力头，就可以完成钻孔和镗削功能，这样使得控制等就变得复杂了。所以首选方案一三、系统设计及各部件说明本次设计的车铣复合机床控制坐标轴：对于车削为X、Z1，对于铣削功能为X、Z2、A、C1，A、C1为铣削动力头的两个旋转坐标轴，控制柜结构控制，主轴、副主轴采用变频器控制，以下为本次设计主要器件：表4.1序号名称规格主要用途备注1数控系统SINUMERIK840D控制系统西门子数控AC380V/110V300W交流接触器，风扇电机AC380V/24V75W照明灯电源2数控变压器AC380V/220V700W伺服控制电源，开关供电西门子数控3伺服变压器AC380V/220V7.5kW6SN1123系列驱动模块西门子数控4开关电源AC220V/DC24V4.5A开关量及中间继电器5伺服驱动器6SN1130-1DB12-0BA0SIMODRIVE611-D2AXES9/18AX、Z1、Z2、A、C1轴电机驱动装置6主轴变频器6SE6420-2UD31-1CA111KW主轴电机驱动7铣削动力头变频器6SE6420-2UD25-5CA15.5KW动力头电机驱动8副主轴变频器6SE6420-2UD27-5CA17.5KW副主轴电机驱动9伺服电机1FT6074X、A、C1轴进给电机10伺服电机1FT6074G45Z1、Z2轴进给拖动11主轴电机Y160M1-伺服电机2（11KW）主轴拖动12副主轴电机伺服电机副主轴拖动四、总体框图SINUMERIK840D西门子系统硬件组成原理如图所示。从下图中可以看出，NCU不仅是SINUMERIK840D的控制中心，也是连接中心。NCU与主要外部设备的连接关系：NCU模块通过D-BUS总线挂接主轴驱动系统、进给驱动系统。NCU模块是系统的控制中心：NCU通过MPI总线电缆，使用MPI协议连接着机床控制面板MCP和操作员面板OP；NCU通过MPI电缆连接着手持单元，其功能包含各进给坐标轴及主轴的电动功能。同时也能完成各进给轴的手摇脉冲发生器功能；NCU的PLC输入/输出接口通过SIMATICS7-300INM连接电缆连接这PLC外扩单元；NCU通过MPI-PG电缆实现了与编程器PG的连接。MMC-CPU是系统的通信中心。和MMC-CP连接的OP31操作面板可以完成软功能操作，数字、字符的输入；磁盘驱动器和MMC-CPU连接，可以完成文件的输入和输出；小圆头键盘口可以连接标准的PC键盘。实现数字、字符的输入；外配的串行通信口可以实现PCIN通信，PCIN是西门子公司开发的一种个人计算机和数控系统进行串行通信软件，主要完成程序和数据的传输；外配的并行口可以实现文件的打印输出；此外，还可以介入以太网，实现DNC控制。五、参考文献1机电一体化技术手册编委会.机电一体化技术手册(上、下册).机械工业出版社，19962任玉田，包杰等编著.新编机床数控技术.北京理工大学出版社，20053周德俭主编.数控技术.重庆大学出版社，20014徐灏主编.机械设计手册.机械工业出版社，20035吴宗泽主编.机械零件设计手册.机械工业出版社，20046姜培刚，孟玉先编著.机电一体化系统设计.机械工业出版社，19957廉元国主编.加工中心设计与应用.机械工业出版社，20038沙杰等编著.加工中心结构、调试、与维护.机械工业出版社，20039杜君文主编.机械制造技术装备及设计.天津大学出版社，199810范真主编.加工中心.化学工业出版社，200411邓星钟主编.机电传动控制.华中科技大学出版社，200112赵妙霞主编.机械精度设计与质量控制.兰州大学出版社，