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X62
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X62铣床数控化改造设计摘要在机械部分改造中，保留了主轴系统；进给传动系统的改造，采用交流伺服电机与滚珠丝杠，并装有减速机构的传动方式，通过减速机构可得到所需减速比并增大驱动力矩。垂直方向还应考虑滚珠丝杠的自锁，采用超越离合器的自动平衡装置实现自锁。在电气部分改造中，把机床中原有控制电路拆掉，采用以数控装置内置PLC为主的控制系统，用软件实现逻辑控制。关键词：数控机床；数控化改造；机床电气控制；数控系统；伺服电机NC Transformation Design of X62 Milling MachineABSTRACTIn the mechanical design of the transformation, keep the original main axis system, but remove the slip screw and asynchronous motor with a ball screw and AC motor. At the same time, setup a reduction unit to get the reduction ratio and enhance the driving torque. Its necessary to consider about the self-lock of the ball screw on the Z axis oritation. To setup an overrunning clutch can solve this problem.In the electrical system transformation, the old control circute is substituted by PLC control system of CNC device. To achieve the logic control by NC software. Keywords: NC machine tools; NC transformation; machine electrical control; NC system; servo motor目 录1绪论11.1数控机床的组成及特点11.1.1数控机床的组成11.1.2数控机床的特点21.2数控化改造的意义31.3数控化改造的内容41.4数控化改造特点41.5数控改造方式51.6数控机床的机械结构特点61.7X62数控化改造总体方案设计71.8小结92纵向改造设计102.1机械部分设计计算102.1.1切削力计算102.1.2滚珠丝杠选择计算112.1.3滚动轴承选择152.2伺服系统选择计算152.2.1伺服电机选择计算152.2.2伺服电机驱动装置选择182.3小结183横向进给改造设计203.1机械部分设计计算203.1.1切削力计算203.1.2滚珠丝杠选择计算213.1.3滚动轴承选择233.2伺服系统选择计算243.2.1伺服电机选择计算243.2.2伺服电机驱动装置选择263.3小结274垂直进给改造设计284.1机械部分设计计算284.1.1滚珠丝杠选择计算284.1.2丝杠支承的选择计算304.1.3自锁机构设计314.1.4垂直进给系统消隙机构334.2伺服系统选择计算344.2.1伺服电机选择计算344.2.2伺服电机驱动装置选择374.3小结375电气系统改造385.1铣床电气系统的改造385.2小结406数控系统的选择、安装与调试416.1数控系统的选择416.2电柜与供电设计426.3PLC程序编写436.4伺服系统的调试566.4.1轴/主轴的调试566.4.2进给轴的轴机床数据586.5小结597总结60参考文献62致谢64附录A65附录B66X62铣床数控化改造设计1绪论1.1数控机床的组成及特点1.1.1数控机床的组成1、程序编制及程序载体数控加工程序是数控系统自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对位置的尺寸参数；零件加工的工艺路线或加工顺序；主运动的起、停、换向、变速；进给运动的速度、位移大小等工艺参数，以及辅助装置的动作。然后应用标准的由文字、数字和符号组成的数控代码，按规定的方法和格式，将零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息，编制成零件加工的数控程序单。2、输入装置输入装置的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。根据程序存储介质的不同，输入装置可以是录音机或软盘驱动器。有些数控机床，不用任何程序存储载体，而是将数控程序单的内容通过数控装置的键盘，用手工方式（MDI方式）输入，或者将数控程序用计算机以网络通信方式传送到数控装置。3、数控装置数控装置是数控机床的核心，它接收输入装置送来的脉冲信号，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令控制机床的各个部分，进行规定的、有序的动作。这些控制信号中最基本的信号是：经插补运算决定的各坐标轴（即做进给运动的各执行部件）的进给速度、进给方向和位移量指令、送伺服驱动系统驱动执行部件做进给运动。其它还有主运动部件的变速、换向和起停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号；控制冷却、润滑的启停、工作和机床部件松开、夹紧、分度工作台转位等辅助指令信号等。4、辅助控制装置辅助装置也称为强电控制装置，是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统，其主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电气、液压、气动和机械部件，以完成指令所规定的动作。此外，还有信号经它送数控装置进行处理。5、伺服驱动系统伺服驱动系统又由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。每个进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统。6、机床的机械部件数控机床的机械部件包括主运动部件，进给运动执行部件（如工作台），传动部件和床身立柱等支承部件，此外，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速要便于实现自动化控制。图1 数控机床机构框图1.1.2数控机床的特点数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点：（1）能适应不同零件的自动化加工。数控机床是按照被加工零件的数控程序来进行加工的，当改变加工零件时，只要改变数控程序，不必用凸轮、靠模、样板或钻镗等专用工艺装备。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的更新换代。（2）工序集中。数控机床在结构和功能设计时，就充分考虑了工序集中，使机床在粗加工时有足够的刚度，在精加工时又有可靠的精度。因此，一次装夹实现粗加工到精加工的不同工序，减少了机床、夹具的数量，也减少了因重新装夹造成的误差，同时能够缩短等待和装夹等辅助时间。（3）生产效率和加工精度高、加工质量稳定。在数控机床上，可以采用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。还有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量。所以，比普通机床的生产效率高34倍，甚至更高。同时，由于数控机床的精度较高，可以利用软件进行精度校正和补偿，又因为它是根据数控程序自动化进行加工，可以避免人为的误差。因此，不但加工精度高，而且质量稳定。能完成复杂型面的加工。数控机床几乎可以实现任何轨迹的运动和任何形状的空间曲线的加工，如用普通机床难以加工的螺旋桨、汽轮机的叶片等空间曲面，采用数控机床则能较好地完成这些曲面的加工。能实现复杂型面加工时数控机床较突出的优点。（4）减轻工人的劳动强度。由于数控机床实现自动化或半自动化加工，许多辅助动作均由机床完成，因此工人的劳动量减少。1.2数控化改造的意义众所周知，制造业是国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的主要力量。加入WTO之后，我国制造业正面临极大的考验和挑战。我国制造业水平与发达国家相比，总体水平偏低，这直接影响到我国工业产品质量的提高和制造成本的降低，影响到我国工业产品的国际竞争力。为改变这种落后状况。必须提高制造业的装备水平，特别是机床数控化率。购置数控机床是提高机床数控化率的途径；对旧机床进行数控化改造，也是提高数控化率的重要途径之一。我国机电行业（包括机械、电子、汽车、航空、航天、轻工、纺织、冶金、煤炭、邮电、船舶等）拥有的机床结构比较陈旧，操作系统复杂，控制系统落后，生产效率低下，如果靠购置新的数控机床取而代之，显然耗资巨大，不符合国情。因此，采用数控技术对现有机床进行改造，符合国家的产业政策。另外，从市场容量来讲，不管是模具制造业、汽车制造业，还是军工企业，机床数控化改造都蕴藏着无限商机。近年来，美国、日本、德国、英国等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活跃。在美国，机床改造业被称为机床再生（Remanufacturing）业；在日本，机床改造业被称为机床改装（Retrofitting）业。机床改造业正逐步从机床制造业中分化出来，形成了用数控技术改造机床和生产线的新的行业和领域。1.3数控化改造的内容数控化改造主要内容有以下几点：（1）精度恢复和机械传动部分的改进，随着机床使用役龄的增加，机床的机械传动部件，如导轨、丝杠、轴承等都有不同程度的磨损。因此，机床改造过程中的首要任务是对旧机床进行类似于通常的机床大修，以恢复机床精度，以达到新机床的制造标准。（2）选定数控系统和伺服系统，根据要进行数控化改造机床的控制功能要求，选择合适的数控系统是至关重要的。选择时，除了考虑各项功能满足要求外，还一定确保系统工作可靠性。一般考虑性能价格比来选取，并适当考虑售后服务和故障维修等有关情况。（3）电控柜的设计和制作，在进行机床数控化改造时，原机床的电器控制部分一般只能报废，重新按数控化改造要求进行设计制作。数控机床的强电控制报废设计中要特别注意的是，数控系统各接口信号的特点和形式要相配，并且在设计过程中应尽量简化强电控制线路。（4）整机联接调试，旧机床上述各个部件的改造过程完成后，就可对组装后改造机床各个部件进行调试。一般先对电气控制部分进行调试，看单个动作是否正常，然后再进入联机高度阶段。1.4数控化改造特点（1）减少资金投入、交货期短，同购置新机床相比，一般可以节省60%80%。（2）机械性能稳定可靠、结构受限，所利用的床身、立柱等基础件都是重二坚固的铸造件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。（3）熟悉了解设备、便于操作维修，购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造在不然，可以精确地计算出机床加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。（4）可充分利用现有的条件，如可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基，同时供夹具、样板和外设备也可以再利用。（5）可更好地因地制宜合理筛选功能，购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，又可能缺少某个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊订货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法在某些部件设计改造成专用的数控机床。（6）可以采用最新的控制技术，可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。1.5数控改造方式1、机床的数控改造实现的几种选择方式趋势（1）采用PLC实现数控改造：在一些印刷、包装等对定位精度要求不是太高的场合，以及一些生产线控制场合，可通过采用PLC完成 改造任务。（2）采用商用CNC(PLC)及伺服系统进行改造：这种方式是目前流行的改造模式。数控系统制造商提供越来越方便的调试方法和工具软件，以方便机床厂和改造商的二次研发工作。（3）选择工控机进行数控改造：对于金属切削机床等的数控改造，包括过程控制、顺序控制等工控场合，可利用工控的可靠性，选择合适的工具软件或自己开发软件进行改造。（4）选择基于PC的CNC：基于PC的CNC是开放式数控目前的实现方式。但距真正意义上的开放式数控还有很远距离。2、数控系统性能和功能方面的发展（1）开放性系统可通过光纤与PC连接，采用与PC连接，采用Windows兼容软件和开发环境，功能一高速、超精（具有高精纳米插补功能）为核心，并具有智能控制。（2）高级复杂的功能可进行各种数学的插补，如直线、圆弧、螺旋线、渐开线、螺旋渐开线和样条等插补，也可以进行NURBS插补。采用NURBS插补可以大大减少NC程序的数据输入量，减少加工时间。（3）强大的联网通信功能适应工厂自动化需要，支持FA网络与DNC的连接，可联接工厂干线或控制层通信网络 、设备层通信网络，RS-485接口传送I/O信号或采用Prellbus-DP进行高速通信。（4）高速内装PMC由专用的PMC处理器控制梯形图和顺序程序，可用C语言在PC上编程。（5）友好的用户界面，操作、维护方便，普通采用触屏、2D和3D彩色图形显示、软件、硬件的模块化结构等，给操作和系统维护带来很大的方便。1.6数控机床的机械结构特点1、高刚度和高抗振性为满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化程度的要求，与普通机床比较，数控机床具有更高的静、动刚度和更好的抗振性。例如，有的国家规定数控机床的刚度系数比普通机床至少高50%以上。2、减少机床热变形的影响机床的热学性能是影响加工精度的重要因素之一。由于数控机床主轴转速、进给速度远高于普通机床，而且大切削用量产生的炽热切削对工件和机床部件的热传导影响较普通机床严重，且热变形对加工精度的影响往往难以由操作者修正。因此，数控机床常采用如下措施减少热变形的影响。（1）改进机床布局和结构设计，采用热对称结构设计机床布局结构。（2）对机床发热部件采取散热、风冷和液冷等控制温升的办法来吸收热源发出的热量。（3）在大切削量切削时，掉在工作台、床身等部件上的炽热切屑是一个重要热源。现代机床，特别是加工中心和数控车床普通采用多喷嘴、大流量切削液来冷却并排除这些炽热的切屑，并对切削液用大容量循环散热或用冷却装置制冷以控制温升。（4）预测热变形规律，建立数学模型存入计算机中进行实时热位移补偿。3、传动系统的机械结构大为简化数控机床的主轴驱动系统和进给驱动系统分别采用交、直流主轴电动机和伺服电动机驱动。这两类电动机调速范围大，并可无级调速，因此使主轴箱、进给速度箱及其传动系统大为简化。箱体结构简单，齿轮、轴承和轴类零件的数量大为减少，甚至不用齿轮，由电动机直接连接主轴或滚珠丝杠。4、高传动效率和无间隙的传动装置数控机床在很高的进给速度下，要求工作平稳，并有高的定位精度。因此，对进给系统中的机械传动装置要求具有高寿命、高刚度、无间隙、高灵敏度和低摩擦阻力的特点。目前，数控进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有滚珠丝杠副、静压蜗杆蜗母条和预加载荷双齿轮条三种。5、低摩擦因数的导轨机床导轨式机床基本结构的要素之一。从机械结构方面说，机床的加工精度和使用寿命很大程度上决定于机床导轨的质量，而对数控机床的导轨则有更高的要求。例如，高速进给时不振动，低速加工时不爬行，有高的灵敏度，能在重负载下长期连续工作，耐磨性要高，精度保持性要好等。6、实现工艺复合化和功能集成化的新结构现代数控机床的机械结构除应有高的动静刚度、小的热变形、高精度、低摩擦阻力、高传动效率等共同特点和要求外，传动系统的机械结构大为简化，但同时开发和采用了不少新结构和新装置，以实现工艺复合化和功能集成化的要求。1.7X62数控化改造总体方案设计1、X62铣床基本参数X62铣床基本参数工作台面积320mm1250mm工作台纵向最大行程（手动/机动）700/680mm工作台横向最大行程（手动/机动）255/240mm工作台垂直最大行程（手动/机动）360/340mm主轴转速种数18主轴转速范围301500r/min工作台纵向进给速度范围23.51180mm/min工作台横向进给速度范围23.51180mm/min工作台垂直向进给速度范围8394mm/min工作台横向及纵向快速移动速度2000mm/min工作台垂直快速移动速度2000mm/min主传动电动机功率7.5kw主传动电动机转速7450r/min外形尺寸2294mm1770mm1630mm质量2600kg2、机械部分的改造设计X62铣床的主轴以及进给系统都是由法兰式电动机拖动。主轴传动系统部分改造难度大、成本高，且精度提高有限，所以在改造此类机床时，要选那些主轴各方面性能能满足使用要求的。改造时，保留原主轴系统，对进给传动系统及电气控制系统进行改造。进给传动系统的传动精度及效率也是数控机床性能的重要组成部分。原机床进给箱为交换齿轮箱，结构复杂、反向间隙大、传动精度差。本改造中，采用数字伺服电机与滚珠丝杠，并装有减速机构的传动方式，通过减速机构可得到所需的减速比并增大驱动力矩。原机床是用滑动丝杠，传动误差大，因此在数控化改造中将其更换为滚珠丝杠。滚珠丝杠的传动效率高、无爬行、预紧后可消除反向间隙、精度高。X62铣床的导轨式采用铸铁-铸铁或铸铁-淬火钢滑动导轨，其静摩擦因数大，动、静摩擦因数相差较大，低速时易出现爬行，力矩损失大，影响运动的平稳性和定位精度。若是将导轨改造成滚动导轨或静压导轨，工艺复杂、费用大、周期长；所以对在X62铣床改造时采用在原导轨上粘接聚四氯乙烯软带的方法。聚四氯乙烯软带是以聚四氯乙烯树脂为基材与耐磨填充复合后，在常温下用模压法成型烧结、车削和活化处理制得。其特点使摩擦因数低，抗磨损，静、动摩擦因数差值小，定位准确，防振消声运行平稳，低能耗，具有耐老化和足够的力学性能，对提高机械加工精度、延长导轨副使用寿命也有一定的作用。这种方法比较方便，费用低，动、静摩擦因数相差小，耐摩擦性和抗咬伤力强，具有良好的自润滑和抗振性，进给运动无爬行，运动平稳。3、伺服系统的方案设计X62的原调速方法是靠交换齿轮调速、人工手动，不能实现伺服调速。改造后需实现数控无级调速，必须使用与数控系统配对的伺服驱动系统。根据脉冲指令输入驱动装置，经驱动电路控制和功率放大后，驱动执行电动机转动。因此，在改造过程中要根据所选的电动机参数来选择合适的伺服系统。在驱动执行装置中，直流伺服电动机价格昂贵，在普通机床的数控化改造中一般采用步进电机和交流伺服电机。在本改造中，采用交流伺服电机驱动的半闭环伺服系统。4、电气系统的方案设计原机床的电气电路比较分散，电气元件使用时间也较长，老化现象严重，故障几率大，会影响加工稳定性。且改造后需要增加伺服电动机、驱动器及数控系统的电气连接。 把机床中原控制电路拆掉，采用以数控装置内置PLC为主的现代电气控制系统，用软件实现逻辑控制，可以省去大量的控制电器及线路连接。数控机床的主轴、冷却、横向、纵向、垂直方向电动机等需要系统自动化控制，为此需设计强电控制电路。电器元件可保留使用原机床中的变压器、自动断路器等。把所需控制的部件与数控装置连接好，拆除原电控箱，原位安装改造后的电控箱；改造后的元件都装在电控箱里。5、数控系统的选型 数控系统是数控机床的核心。它的主要功能是正确识别和解释数控加工程序，对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，完成各种输入、输出任务。其形式可以是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控装置或计算机数控装置。铣床的数控化改造属于经济型改造，一般选用经济型数控系统。市场上可供选择的数控系统的类型很多,可依据价格合理、技术先进、服务方便的原则选择。在经济能力许可的情况下,尽量选用名牌产品。此类数控系统,零件筛选严格, 制造工艺规范可靠、对出现因电器元件故障或提前失效引起的设备故障有极好的预防作用。其次,应注重数控系统的功能选择,不应单纯追求数控系统的高性能指标,这对于实现较高的性能价格比非常重要。数控系统所具有的功能要与准备改造的数控机床所能达到功能相匹配,尽量减少过剩的数控功能。因为数控系统功能过剩,一方面浪费资金,另一方面还可能潜伏下由于数控系统复杂程度的增加而带来的故障率升高的隐患。本改造设计选用西门子的802D系统。1.8小结本章主要介绍了数控化改造的发展状况、数控化改造的意义、数控化改造的几种方式以及数控机床的机械结构特点，并以这些为参考得出了X62铣床数控化改造的总方案。2纵向改造设计2.1机械部分设计计算改造后机床的机械传动示意图如下图2 纵向机械传动图2.1.1切削力计算根据文献10可知切削功率由机床说明书得，主轴电动机功率，；主传动系统总效率，一般为,取; 进给系统功率系数，取切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大铣削力（或转矩）和最大切削转速（或转速）来计算。若按最大切削速度来计算，取切削速度，根据主切削力（N）；切削速度（m/min）；得根据参考文献3可得：纵向切削分力 垂直切削分力 横向切削分力 取 2.1.2滚珠丝杠选择计算传动系统的元件要能快速响应，因此传动元件之间的摩擦阻力应尽可能小。滚珠丝杠螺母副使回转运动与直线运动相互转换的一种新型传动装置，且它的传动负载比梯形的滑动丝杠要大得多，精度又高，平稳性好，因此滚珠丝杠副作为精密、高效的传动元件在精密机床、数控机床中得到广泛应用，在机械工业、交通运输、航天航空、军工产品等各个领域应用得很普遍，可用作精密定位、自动控制、动力传递和运动转换。在对X62铣床的改造过程中，滚珠丝杠的选择要根据机床的实际情况及工作负载情况，计算出丝杠工作时的最大动载荷及丝杠的工作寿命等参数进行选择，最大动载荷必须小于丝杠的额定动载荷。滚珠丝杠螺母副是标准化生产，其规格型号都有按国家标准。其选择的详细计算如下：1、工作负载计算对于三角形或综合导轨，工作负载用进给牵引力的试验式，根据机床设计手册得 式中 进给牵引力（N） 颠覆力矩影响的试验系数，； 滑动导轨摩擦因数，取； 溜板及刀架重力，。则 2、滚珠丝杠寿命计算 根据进给速度和滚珠丝杠螺距计算出丝杠的转速，再根据丝杠转速计算出丝杠的寿命。滚珠丝杠转速n 式中 进给速度，取60mm/min； 滚珠丝杠的螺距，取6mm。寿命可按计算。其中数控机床取15000h，则 3、最大载荷计算及丝杠型号选择根据切削力和运动部件的质量引起的进给阻力，计算出丝杠轴向载荷，再根据计算出丝杠副应能承受的最大动载荷。其中取 ，则选择滚珠丝杠的型号为CDM32065P4，直径为32mm，其额定动载荷为26250N7840.55N，强度足够用。滚珠丝杠副CDM32065P4的参数如图 3 所示，具体的参数数值见表2.1和表2.2图3 CMD3206-5滚珠丝杠 表 2.1 CDM32065P4滚珠丝杠具体参数滚珠丝杠型号公称直径/mm基本导程/mm钢球直径/mm丝杠外径/mm螺纹底径/mm循环圈数额定动载荷/N额定静载荷/N接触刚度/（N/m）CDM32065P4R3263.96931.527.12.5226250766311839 表 2.2 CDM32065P4螺母安装连接尺寸6090751371271365473M64、效率计算 根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率可根据式摩擦角，螺旋升角，根据，则5、刚度验算滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用，将引起基本导程的变化，因此滚珠丝杠受转矩引起的导程变化很小，可忽略不计。故工作负载引起的导程变化量可有式 ，其中“+”用于拉伸，“-”用于压缩。材料弹性模量，对于钢，；滚珠丝杠的截面积，按丝杠螺纹底径确定，则丝杠1m长度上导程变形总量误差，根据式，得 4级精度丝杠允许的螺距误差，故此丝杠精度足够。6、传动齿轮选择及间隙调整根据交流伺服电机速度可调的特性，取传动比齿轮完全暴露在外边，这叫开式齿轮传动：而汽车、机床、航空发动机等所用的齿轮传动，都是装在经过精确加工而且封闭严密的箱体内，这叫闭式齿轮传动。闭式齿轮传动。闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的平稳，减小冲击振动，以齿数多一些为好，小齿轮齿数可取参考文献9。取齿轮齿数、，模数，齿轮传动效率。图4 偏心轴套式结构为了提高传动精度和传动平稳性，避免齿轮在旋转中产生冲击和噪声，对于纵向、横向齿轮都需要设计中心距的调整机构。由于主、从动齿轮在制造过程中不可避免地存在着加工误差，为使这一对相互啮合的齿轮在安装后的中心距达到标准中心距、采取如下措施：在主动轮安装在交流电机2的轴上，而电机2的端部用螺钉与偏心套1联接，偏心套1装在箱体上，转动偏心套（这时电机连同主动轮一起转动），从而可以调整主、从动轮之间的中心距。2.1.3滚动轴承选择传动系统的丝杠采用一端轴向固定，另一端浮动的结构形式，使丝杠的轴向位移留有移动空间，避免机床的震动和传动的误差等原因，使轴承卡死的情况的发生，适用于较长的卧式安装丝杠。固定端采用一对角接触球轴承7602025TVP面对面组合，成对使用，能限制两个方向的轴向位移。浮动端支承采用6205/P5型深沟球轴承，只承受丝杠的重力。表 2.3 760225TVP轴承具体参数轴承型号尺寸/mm额定负荷/N预负荷/N极限转速r/min重量/kg安装尺寸/mm脂76020025TVP2562172850058500330022000.14438521 因为额定负载，所以7602025TVP满足使用要求。表 2.4 6205深沟球轴承具体参数轴承型号尺寸/mm额定负荷/N极限转速r/min重量/kg安装尺寸/mm脂油6205255215110800695012000150000.13304712.2伺服系统选择计算2.2.1伺服电机选择计算 伺服电机的应用，应考虑三个要求：最大切削负载转矩，不得超过电机的额定转矩；电机的转子惯量应与负载惯量相互匹配（匹配条件可根据伺服电机样本提供的条件，也可以按照一般的匹配规律）；快速移动时，转矩不得超过伺服电机的最大转矩。交流电机的选择一般按照下述步骤进行选择。1、额定转速的选择 式中 最大进给速度，原机床为1180mm/min，改造后为4000/min。 丝杠螺距（mm） 传动比。交流伺服电机的传动比可调，取1 取额定转速。2.折算到电动机轴上的转动惯量的选择（1）负载惯量的计算 在实际工程中，用飞轮转矩代替转动惯量进行计算。 式中 折算到电动机轴上的总飞轮转矩（）；电动机轴上的飞轮转矩;实际负载飞轮转矩； （中间传动轴越多，值越大）。取1.175。若以加速时间最短为制约条件，则： 式中 重量（）；取3000N 转动半径（m）。取电机轴的半径。 由飞轮转矩和转动惯量的关系 式中 转动惯量（）。 g重力加速度（）。（2）负载惯量的选择 。式中 额定飞轮转矩。（3）额定转矩的选择1）负载转矩计算 式中 工作台的轴向运动力（N）；取最大的切削力2073.6N。 工作台重量（N）；取3000N 摩擦因数；聚四氟乙烯与铸铁的摩擦因数为小于或等于0.08； 电动机每转线位移量，其中为丝杠螺距（mm），为传动比，取1； 传动效率。2）额定转矩的选择 。根据以上公式，代人具体数值后得到额定转速、额定转动惯量、额定转矩、最大转矩。按这些参数选择符合性能要求的伺服电机。以上参数确定后，对电动机进行验算：（1） 速度运行参数， 式中 总时间；加速时间；恒速时间；减速时间；整定时间，。取 （2）加减速转矩 设加减速转矩相等，则使速度变化的转矩为：式中 负载转矩。则加速转矩： 减速转矩： 要求： 和 （3）连续工作转矩计算 连续工作时电动机应有的转矩是： 要求：。 所选满足以上要求的伺服交流电动机为西门子1FK6060-6AF71-1AG0。参数如表2.5表2.5 1FK6060-6AF71-1AG0电机参数型号额定转速rpm转动半径mm额定转矩Nm最大转矩Nm转动惯量加速时间ms整定时间ms质量kg1FK6060-6AF71-1AG03000636111.611555132.2.2伺服电机驱动装置选择802D系统配套的驱动器SimoDrive 611UE,兼容1FK6系列伺服电机。2.3小结 本章主要介绍了改造纵向进给系统过程中，详细描述了对滚珠丝杠、轴承与伺服电动机型号的计算选择过程，基本完成了X62铣床的纵向数控化改造设计。3横向进给改造设计3.1机械部分设计计算 对X62铣床横向进给系统进行改造的方法与纵向类似。3.1.1切削力计算根据文献10可知切削功率 由机床说明书得，主轴电动机功率，；主传动系统总效率，一般为,取; 进给系统功率系数，取切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大铣削力（或转矩）和最大切削转速（或转速）来计算。若按最大切削速度来计算，取切削速度，根据 主切削力（N）；切削速度（m/min）；得根据参考文献3可得：纵向切削分力 垂直切削分力 横向切削分力 取 3.1.2滚珠丝杠选择计算1、工作负载计算对于燕尾槽导轨，工作负载用进给牵引力的试验式，根据机床设计手册得 式中 进给牵引力（N） 颠覆力矩影响的试验系数，； 滑动导轨摩擦因数，取； 溜板及刀架重力，。则 2、滚珠丝杠寿命计算 根据进给速度和滚珠丝杠螺距计算出丝杠的转速，再根据丝杠转速计算出丝杠的寿命。滚珠丝杠转速n 式中 进给速度，取60mm/min； 滚珠丝杠的螺距，取6mm。寿命可按计算。其中数控机床取15000h，则 3、最大载荷计算及丝杠型号选择 根据切削力和运动部件的质量引起的进给阻力，计算出丝杠轴向载荷，再根据计算出丝杠副应能承受的最大动载荷。其中取 ，则 选择滚珠丝杠的型号为CDM32065P4，直径为32mm，其额定动载荷为26250N7840.55N，强度足够用。滚珠丝杠副CDM32065P4具体的参数数值见表3.1 和表3.2 表3.1 CDM32065P4滚珠丝杠具体参数滚珠丝杠型号公称直径/mm基本导程/mm钢球直径/mm丝杠外径/mm螺纹底径/mm循环圈数额定动载荷/N额定静载荷/N接触刚度/（N/m）CDM32065P4R3263.96931.527.11.5226250766311839 表3.2 CDM32065P4螺母安装连接尺寸6090751371271365473M64、效率计算根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率可根据式 摩擦角，螺旋升角，根据，则5、刚度验算滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用，将引起基本导程的变化，因此滚珠丝杠受转矩引起的导程变化很小，可忽略不计。故工作负载引起的导程变化量可有式 ，其中“+”用于拉伸，“-”用于压缩。材料弹性模量，对于钢，；滚珠丝杠的截面积，按丝杠螺纹底径确定，则丝杠1m长度上导程变形总量误差，根据式，得 4级精度丝杠允许的螺距误差，故此丝杠精度足够。6、传动齿轮选择及间隙调整根据交流伺服电机速度可调的特性，取传动比闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的平稳，减小冲击振动，以齿数多一些为好，小齿轮齿数可取参考文献9。取齿轮齿数、，模数，齿轮传动效率。3.1.3滚动轴承选择 传动系统的丝杠采用一端轴向固定，另一端浮动的结构形式，使丝杠的轴向位移留有移动空间，避免机床的震动和传动的误差等原因，使轴承卡死的情况的发生，适用于较长的卧式安装丝杠。固定端采用一对角接触球轴承7602025TVP面对面组合，成对使用，能限制两个方向的轴向位移。浮动端支承采用6205/P5型深沟球轴承，只承受丝杠的重力。 表 3.3 760225TVP轴承具体参数轴承型号尺寸/mm额定负荷/N预负荷/N极限转速r/min重量/kg安装尺寸/mm脂76020025TVP2562172850058500330022000.14438521 因为额定负载，所以7602025TVP满足使用要求。 表3.4 6205深沟球轴承具体参数轴承型号尺寸/mm额定负荷/N极限转速r/min重量/kg安装尺寸/mm脂油6205255215110800695012000150000.13304713.2伺服系统选择计算3.2.1伺服电机选择计算1.额定转速的选择 式中 最大进给速度，原机床为1180mm/min，改造后为4000/min。 丝杠螺距（mm） 传动比。交流伺服电机的传动比可调，取1 取额定转速。2.折算到电动机轴上的转动惯量的选择（1）负载惯量的计算 在实际工程中，用飞轮转矩代替转动惯量进行计算。 式中 折算到电动机轴上的总飞轮转矩（）；电动机轴上的飞轮转矩;实际负载飞轮转矩； （中间传动轴越多，值越大）。取1.175。若以加速时间最短为制约条件，则： 式中 重量（）；取3000N 转动半径（m）。取电机轴的半径。 由飞轮转矩和转动惯量的关系 式中 转动惯量（）。 g重力加速度（）。（2）负载惯量的选择 。式中 额定飞轮转矩。（3）额定转矩的选择 1）负载转矩计算 式中 工作台的轴向运动力（N）；取最大的切削力2073.6N。 工作台重量（N）；取3000N 摩擦因数；聚四氟乙烯与铸铁的摩擦因数为小于或等于0.08； 电动机每转线位移量，其中为丝杠螺距（mm），为传动比，取1； 传动效率。 2）额定转矩的选择 。根据以上公式，代人具体数值后得到额定转速、额定转动惯量、额定转矩、最大转矩。按这些参数选择符合性能要求的伺服电机。以上参数确定后，对电动机进行验算：（2） 速度运行参数 ， 式中 总时间；加速时间；恒速时间；减速时间；整定时间，。取 （2）加减速转矩 设加减速转矩相等，则使速度变化的转矩为：式中 负载转矩。则加速转矩： 减速转矩： 要求： 和 （3）连续工作转矩计算 连续工作时电动机应有的转矩是： 要求：。 所选满足以上要求的伺服交流电动机为西门子1FK6060-6AF71-1AG0。参数如表3.5 表3.5 1FK6060-6AF71-1AG0交流伺服电机参数型号额定转速rpm转动半径mm额定转矩Nm最大转矩Nm转动惯量加速时间ms整定时间ms质量kg1FK6060-6AF71-1AG03000636111.611555133.2.2伺服电机驱动装置选择802D系统配套的驱动器SimoDrive 611UE,兼容1FK6系列伺服电机。3.3小结本章主要介绍了改造纵向进给系统过程中，详细描述了对滚珠丝杠、轴承与伺服电动机型号的计算选择过程，基本完成了X62铣床的纵向数控化改造设计。4垂直进给改造设计4.1机械部分设计计算 对垂直进给系统的机械结构进行改造时，与前面所述的横向和总线进给系统机械结构的计算选择类似，都是将原机床的丝杠换成滚珠丝杠；把原机床的旧电机换成交流伺服电机；更换齿轮轴承。除此之外，垂向承受着工作台的自重，由于滚珠丝杠没有自锁能力，垂直坐标不能锁住，工作台会自动下降，采用超越离合器的自动平衡装置以保证垂直轴的自锁能力。在垂直轴上加装消隙机构可提高轴的传动精度，机床的结构精度是保证加工精度的基础。其改造后的传动方式是：交流伺服电机接一对正交圆锥齿轮再接滚珠丝杠，由滚珠丝杠带动工作台做升、降运动。4.1.1滚珠丝杠选择计算1、 工作负载计算燕尾形导轨，工作负载用进给牵引力的试验式，根据机床设计手册得式中 进给牵引力（N） 颠覆力矩影响的试验系数，； 滑动导轨摩擦因数，取； 溜板及刀架重力，。则 2、滚珠丝杠寿命计算 根据进给速度和滚珠丝杠螺距计算出丝杠的转速，再根据丝杠转速计算出丝杠的寿命。滚珠丝杠转速 式中 进给速度，取60mm/min； 滚珠丝杠的螺距，取6mm。寿命可按计算。其中数控机床取15000h，则 3、最大载荷计算及丝杠型号选择 根据切削力和运动部件的质量引起的进给阻力，计算出丝杠轴向载荷，再根据计算出丝杠副应能承受的最大动载荷。其中取 ，则选择滚珠丝杠的型号为CDM63105P4，直径为63mm，其额定动载荷为67286N9496.84N，强度足够用。滚珠丝杠副CDM63105P4具体的参数数值见表4.1和4.2表 表4.1 CDM63105P4滚珠丝杠具体参数滚珠丝杠型号公称直径/mm基本导程/mm钢球直径/mm丝杠外径/mm螺纹底径/mm循环圈数额定动载荷/N额定静载荷/N接触刚度/（N/m）CDM63105P4R63106.356255.32.52672862454733400 表 4.2 CDM63105P4螺母安装连接尺寸1571101322213.520131977863M8 4、效率计算 根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率可根据式 摩擦角，螺旋升角，根据，则 5、刚度验算滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用，将引起基本导程的变化，因此滚珠丝杠受转矩引起的导程变化很小，可忽略不计。故工作负载引起的导程变化量可有式 ，其中“+”用于拉伸，“-”用于压缩。材料弹性模量，对于钢，；滚珠丝杠的截面积，按丝杠螺纹底径确定，则丝杠1m长度上导程变形总量误差，根据式，得 4级精度丝杠允许的螺距误差，故此丝杠精度足够。4.1.2.丝杠支承的选择计算传动系统的丝杠采用一端轴向固定，另一端浮动的结构形式。滚珠丝杠固定端采用一对推力角接触球轴承7603045TVP面对面组合，浮动端支承采用推力球轴承51110和推力角接触轴承7603045TVP。表4.3 7603045TVP具体参数轴承型号尺寸/mm额定负荷/N预负荷/N极限转速r/min重量/kg安装尺寸/mm脂7603045TVP451002558500146000700013000.41864.585.51 表 4.4 51110推力球轴承具体参数轴承型号尺寸/mm额定负荷/N重量/kg安装尺寸/mm5111050701452700.620800552000.14858620.6表 4.5 7603045TVP具体参数轴承型号尺寸/mm额定负荷/N预负荷/N极限转速r/min重量/kg安装尺寸/mm脂7603045TVP501102769500180000760012000.41872942 4.1.3自锁机构设计1、 传动齿轮选择 原机床本来也有自锁结构，但改造后不能满足使用要求。参考现在市场上生产的数控机床，通常采用超越离合器和摩擦离合器产生制动，达到自锁。机床中的锥齿轮主要用于传递相关轴的运动，有时也利用几个锥齿轮组成差动机构，以进行同轴差动传动。锥齿轮与其他非平行传动系统，如摩擦锥、螺旋齿轮等相比，具有传动效率高、发热量小、结构紧凑、速比较恒定、承载能力大等优点，但锥齿轮的加工较复杂。因交流伺服电机转速可调，取传动比为2。取齿轮齿数，齿轮模数m=3，传动效率。大端分度圆直径可按下式计算 则 的分度圆直径为的分度圆直径为节锥角与的节锥角为：的节锥角为：锥距R 齿宽b 式中 -锥齿齿轮传动齿宽系数，取=0.3。 大端分度圆平均直径2、离合器的选择 上面对锥齿轮的计算，采用超越离合器产生制动达到自锁。考虑到经济性，选择了上海海颜机电设备有限公司的PGCZ-A40125离合器。此离合器为滚柱式单向离合器。内含轴承支承及油封，使用2只160系列改造轴承支承，出厂时内含润滑油。主要应用于超运转速度送料或定位。此离合器具体参数见表4.6 结构简图如图5 图5 超越离合器驱动电机带动锥齿轮使丝杠转动，使工作台上升或者下降。锥齿轮转动时通过销带动单向超越离合器的星轮，当工作台上升时，星轮的转向时滚子楔紧在星轮与外壳之间，使外壳随着锥齿轮转动，通过花键与外壳连在一起的内摩擦片与固定的外摩擦片之间产生相对运动，因为内外摩擦片之间由弹簧压紧，有一定的摩擦阻力，从而起到阻尼作用，使上升与下降的力量得以平衡。 表4.6超越离合器的具体参数型 号额定转矩/Nm外形尺寸质量/kgdH7Dh7btPGCZ-A4012530840125901421608886123.36.94.1.4垂直进给系统消隙机构由于垂直进给系统采用圆锥齿轮传动，因此可采用周向弹簧调整法消除间隙。如图3-6所示，将大圆锥齿轮加工成1和2两部分，齿轮的外圈1上带有三个周向圆弧槽，齿轮的内圈2的端面带有三个凸爪6套装在圆弧槽内，弹簧4的两端分别顶在凸爪7和镶块4上，使内、外圈锥齿轮错位，起到消隙作用。为了安装方便，用螺钉6将内、外圈相对固定，安装完毕后将螺钉卸去。图6 消隙机构结构图4.2伺服系统选择计算4.2.1伺服电机选择计算 1.额定转速的选择 式中 最大进给速度，原机床为394mm/min，改造后为800mm/min。 丝杠螺距（mm） 传动比。交流伺服电机的传动比可调，取1/2 取额定转速。 2.折算到电动机轴上的转动惯量的选择 （1）负载惯量的计算 在实际工程中，用飞轮转矩代替转动惯量进行计算。 式中 折算到电动机轴上的总飞轮转矩（）；电动机轴上的飞轮转矩;实际负载飞轮转矩； （中间传动轴越多，值越大）。取1.175。若以加速时间最短为制约条件，则： 式中 重量（）；取3000N 转动半径（m）。取电机轴的半径。 由飞轮转矩和转动惯量的关系 式中 转动惯量（）。 g重力加速度（）。（2）负载惯量的选择 。式中 额定飞轮转矩。（3）额定转矩的选择1）负载转矩计算 式中 工作台的轴向运动力（N）；取最大的切削力2073.6N。 工作台重量（N）；取3000N 摩擦因数；聚四氟乙烯与铸铁的摩擦因数为小于或等于0.08； 电动机每转线位移量，其中为丝杠螺距（mm），为传动比，取1/2； 传动效率。2）额定转矩的选择 。根据以上公式，代人具体数值后得到额定转速、额定转动惯量、额定转矩、最大转矩。按这些参数选择符合性能要求的伺服电机。以上参数确定后，对电动机进行验算：（3） 速度运行参数， 式中 总时间；加速时间；恒速时间；减速时间；整定时间，。取 （2）加减速转矩 设加减速转矩相等，则使速度变化的转矩为：式中 负载转矩。则加速转矩： 减速转矩： 要求： 和 （3）连续工作转矩计算 连续工作时电动机应有的转矩是： 要求：。 所选满足以上要求的伺服交流电动机为西门子1FK6101-8AF71-1AG0。参数如表4.7。 表4.7 1FK6101-8AF71-1AG0伺服电机参数型号额定转速rpm转动半径mm额定转矩Nm最大转矩Nm转动惯量加速时间ms整定时间ms质量kg1FK6101-8AF71-1AG0300010015.5357.9925180264.2.2伺服电机驱动装置选择 802D系统配套的驱动器SimoDrive 611UE,兼容1FK6系列伺服电机。4.3小结 本章是对垂直进给系统的改造设计，进行了滚珠丝杠、滚动轴承、离合器、消隙机构、伺服电机的选择计算。基本解决了X62铣床垂直向的数控化改造。5电气系统改造 5.1铣床电气系统的改造铣床电气系统的改造，是将原来铣床电气电路改造为电气系统与数控系统连接，并受数控系统控制的电路。X62铣床原有的电气系统属于传统的电气系统，没有考虑接入数控装置及伺服系统。在对其进行改造时，要将数控装置、驱动装置及电动机接入电气系统。改造完成后，电气系统可以实现铣床原有的工作台升降，纵向、横向进给运动等各坐标轴的驱动，主轴起/停和正/反转、切削液的开/关、紧急停机、机床原点的设置、各坐标轴的限位等功能。 对铣床电气系统进行改造，需拆除原机床工作台进给电动机及其相应强电线路。为实现机床主轴起/停和正/反转、切削液的开/关、紧急停机、机床原点的设置、各坐标轴的限位等功能，铣床数控系统提供有由KA1KA4四个继电器和接线端子排构成的附件板，通过电缆与系统控制箱相连，接受系统的控制。 改造时，将附件板安装在原机床强电柜内，将控制线分别接到机床电气的受控电，其线路改造如图7所示，机床控制电路如图8所示。电气控制包括各坐标轴的驱动及主轴起/停和正/反转、切削液的开/关等功能。图7 X62铣床电气改造线路图8 X62铣床控制电路图 各坐标轴的驱动：用电线分别将各轴电机与系统驱动柜相应插座相连，即可实现坐标轴的驱动控制。 主轴起/停和正/反转、切削液的开/关：通过系统控制KA1KA4四个继电器的吸合/断开，从而使机床中相应的交流接触器吸合/断开来实现。 （1）主轴起动。即主轴正转，只要将主轴正转控制继电器KA1的一组常开触点并接到原机床启动按钮SB1的两端即可。 （2）主轴停止。将主轴停止控制继电器KA3的一组常闭触点并接到停止按钮SB2控制控制主轴制动的常开触点即可。 （3）主轴反转。原机床设置有一个主轴电机电源反向开关，将开关转到反转位置，按下起动按钮即可实现反转。若要系统控制主轴，还需要在机床强电柜内增设一个交流接触器KM2，构成反转控制回路，并使其与正转控制回路互锁。然后将反转控制继电器KA2的一组常开触点并接到KM2的常开触点上，实现对主轴反转的控制。对于有反转控制回路的机床，则按上述方法将KA2连入机床电气柜即可。 （4）切削液开/关。将切削液控制继电器KA4的一组常开触点并接到原机床切削开关SA1的两端即可。用系统控制时，将SA1置于关的位置。 （5）紧急停机。是当数控系统运行出现紧急情况时，而采取的停机措施。只需在机床上增设一紧急停机开关SB5，然后将系统信号线接上即可。 （6）机床原点。是为保证数控系统加工精度及可靠性而设置的。系统用三个接近开关SQ7SQ9作为机床个坐标轴的原点检测器件，可根据实际情况将他们装在各坐标轴的相应位置。一般而言，铣床的机床原点、升降坐标系设在接近下限处，横向坐标面对机床设在接近右限处，纵向坐标面对机床设在接近外限处。 （7）坐标轴的限位。这是为保护数控系统的运行安全而设置的。在机床升降坐标的上下极限位、横向坐标的左右极限位、纵向坐标的里外极限位，各附设一行程开关和机械撞块。将系统的信号线接到六个行程开关SQ1SQ6上，即可实现对各坐标轴的运动限位。5.2小结 本章完成了对X62铣床的控制线路的改造。改造完成后，电气系统可以实现铣床原有的工作台升降，纵向、横向进给运动等各坐标轴的驱动，主轴起/停和正/反转、切削液的开/关、紧急停机、机床原点的设置、各坐标轴的限位等功能。 6数控系统的选择、安装与调试6.1数控系统的选择本改造选用了西门子的SINUMERIK 802D系统。 SINUMERIK 802D由PCU(Panel Control Unit)，键盘（水平安装和垂直安装）、一或量块输入输出模块（PP72/48）、一个24V电源、驱动器SimoDrive 611UE、1FK6系列数字伺服电机和1PH7系列数字主轴电机组成。系列的各个部件通过现场总线Profibus连接。SIMODRIVE 611UE配备Profibus接口模块，用于速度环和电流环控制。伺服电机采用1FK6系列，编码器为1Vpp正弦波。802D的位置环控制由PCU完成。 PCU是SINUMERIK802D的核心。集成了Profibus接口、键盘、3个手轮接口及PCMCIA接口（用于数据备份）。各软件部件NCK、HMI和PLC全部集成与PCU中。 PCU配备了10.4单色或彩色TFT液晶显示屏，具有长寿命的背景光源。无需电池保护数据，确保了802D的免维护的特性。允许更宽的供电容差（直流电源24V，-20% +15%）以及更高的防护等级，确保了系统的高可靠性。性能参数如表6.1，系统连线如图9表6.1 802D性能参数测量回路数5进给轴/主轴3/1驱动系统611A/U/UE线性插补轴3通道数1PLC最大I/O144/96PLC编程STEP7-Micro中文环境YES龙门同步轴NODNC功能YES零件程序RAM区256K手持单元YES等离子单显YES等离子彩显YES硬盘NO35软驱NO图形模拟YES歇屏保护无数字化功能NO远程诊断NO极坐标YES性能经济型适用机床类型车铣图9 系统接线图6.2电柜与供电设计 611驱动系统的380VAC电源由总电源开关直接供电。电抗器和电源模块之间不允许串接断路器（断路器可串接在总电源和电抗器之间）且连线尽可能短。 802D PCU的功耗为24VDC 50W。PP72/48模块的功耗为24VDC 11W。用于PP72/48模块外部输出信号的24VDC 电源的功耗需要根据机床实际使用的输出位数以及同时系数计算得出。PP72/48模块的每个输出在同时系数为1.0时可提供250mA的驱动能力。 系统使用两个独立的24V直流电源，一个用于802D的PCU、PP72/48和输入信号的公共端，而另一电源为PP72/48的输出信号供电。采用下图所示的方式为 802D 系统供电：图10供电方式 机床主电源开关接通后 24V 直流电源既开始工作，通过操作面板上的开关SA1 给802D的PCU 加电。6.3PLC程序编写802D的内置PLC为S7-200。系统资源划分如表6.2表6.2 系统资源划分表资源（量）用于制造商用于PLC子程序I/O（max.144/96）所有输入输出无定时器（32）24：T0T238：T24T31计数器（32）24：C0C238：C24C31存储器（256Bytes）64：M0.0M127.764：M128.0M255.7保持存储器（128Bytes）32：V14000000.0V14000063.732：V14000064.0V14000127.7报警（64）64：V16000000.0V16000007.70机床数据MD14510(32)16：MD145100MD145101516：MD1451016MD1451031机床数据MD14512(32)16：MD145120MD145121516：MD1451216MD1451231机床数据MD14517(8)08：MD145120MD1451270：子程序（64）32：SBR0SBR3132：SBR32SBR63符号表（32）15：USR1USR1517：USR16USR31子程序库项目文件中使用的特殊地址用于子程序的位输入SM0.0常“1”，符号为ONEM251.0常“0”，符号为ZERO用于子程序的无效输出M255.7用于无效的“位”输出，符号为NULL_bMB255用于无效的“字节”输出，符号为NULL_BMW254用于无效的“字”输出，符号为NULL_WMD252用于无效的“长字”输出，符号为NULL_D6.3.1主程序的结构表6.3主程序结构图调用条件主程序名说明第一次扫描（SM0.1）PLC_INI (SBR32)PLC 初始化每次扫描（SM0.0）EMG_STOP(SBR33)急停处理每次扫描（SM0.0）MCP_802D(SBR34)802D MCP 信号传递每次扫描（SM0.0）MCP_NCK(SBR38)MCP和HMI信号处理每次扫描（SM0.0）AXES_CTL(SBR40)主轴和进给轴控制每次扫描（SM0.0）COOLING(SBR44)冷却控制相关的PLC机床参数MD1451016=2 铣床MD1451218Bit3=1 机床控制面板上K1键用于驱动器使能注意：首先装载铣床初始化文件setup_M.ini（4个进给轴和一个主轴）到802D。然后修改通道参数MD200705=0却掉A1轴。6.3.2子程序说明1、子程序 32 PLC_INI (PLC 初始化）（1）子程序32的目的该子程序在第一个 PLC周期（ SM0.1）循环时被调用。该子程序根据 PLC机床参数定义的机床配置设定 NCK接口信号。在该子程序中设定了下列接口信号： V32000006.7 -NCK 通道接口的进给倍率生效 V380x0001.5 -坐标轴的测量系统 1有效 V380x0001.7 -坐标轴的进给倍率生效（主轴倍率是否生效由机床参数 MD1451216 Bit3确定）可保持数据区定义了24个字节用于存储旋转格林码开关的格林码。可用于轴选、方式选择等。请参见格林码地址表6.4，地址：VB14000101VB14000124表6.4 格林码地址表开关位置存储位置格林码方式选择轴选择进给倍率主轴倍率1VB1400010100001REFX0%50%2VB1400010200011MDAX1%55%3VB1400010300010MDAY2%60%4VB1400010400110JOGY4%65%5VB1400010500111INC1Z6%70%6VB1400010600101INC10Z8%75%7VB1400010700100INC100第四轴10%80%8VB1400010801100INC1000第四轴20%85%9VB1400010901101INC10000第五轴30%90%10VB1400011001111REPOS第五轴40%95%11VB1400011101110AUTO50%100%12VB1400011201010AUTO60%105%13VB1400011301011REF70%110%14VB140001140100175%115%15VB140001150100080%120%16VB140001161100085%17VB140001171100190%18VB140001181101195%19VB1400011911010100%20VB1400012011110105%21VB1400012111111110%22VB1400012211101115%23VB1400012311100120%在该子程序结束之前，自动调用子程序 31: USR_INI（用户初始化）。用户初始化的内容可编写在子程序31中。 （2）局部变量定义 无 （3）占用的全局变量该子程序使用了 24个字节的可保持存储器，并用 24个格林码赋这24个字节。这些格林码可以用于格林码旋转开关，从而执行方式选择、轴选择等。 （4）相关 PLC 机床参数MD1451016 机床类型 1：车床 2：铣床 MD1451216 Bit3 = 1 操作面板上配备主轴倍率开关 2、子程序 33 EMG_STOP (急停处理)（1）子程序 33 的目的 该子程序根据“功能说明”中定义的时序对急停的过程，以及对驱动器电源馈入模块的上电及下电时序进行控制。该子程序的前提条件是： 802D必须使用车床或铣床的标准初始化文件。当去掉驱动器使能时，如电源模块的端子64与端子9断开，所有进给轴和主轴进入制动状态直至完全停止。该子程序根据802D 接口信号 V390X0001.4 nnmin 或外部主轴停止信号（MD14512 16 Bit2=1）(如变频器)来确定主轴停止状态。驱动器的使能和禁止信号来自MCP到PLC的接口信号V10000002.7-使能，V10000002.6-禁止。该子程序可以激活下面两个报警：报警 700016 驱动器未就绪 报警 700017 电源馈入模块I/T报警*重要事项主轴停止信号，或来自NCK接口、或来自外部，是该子程序处理上下电时必不可少的条件。假如再刚开始调试时，暂时不能提供主轴停止信号，可设置PLC机床参数MD1451216Bit0=1-既调试方式，这时PLC不检查主轴停止信号。当能够提供主轴停止信号时，必须将该机床参数位设为:MD1451216Bit=0（2）局部变量定义输入： DELAY WORD上下电时序延时（单位： 10ms ） E_KEY BOOL急停开关（NC） T_72 BOOL驱动就绪反馈：来自电源模块端子T72（T73.1接24DC）T_52 BOOL I/t监控信号：来自电源模块端子T52（T51接24VDC） HWL_ON BOOL任意轴硬限位开关触发（NO）1) SpStop BOOL 外部主轴停止信号（NO）2) 1) 可取自子程序 40（AXIS_CTL）的一个输出信号，使在硬限位出现时触发急停； 2) 当PLC机床参数MD1451216Bit2=1时，外部主轴停止信号生效；3) NO 常开信号 ; NC 常闭信号 ;输出： T_48 BOOL 连接电源模块控制端子48：控制连接器T_63 BOOL 连接电源模块控制端子63：脉冲使能T_64 BOOL 连接电源模块控制端子64：控制器使能EN_L BOOL 驱动器使能状态指示ERR1 BOOL 错误信息：驱动器未就绪ERR2 BOOL 错误信息：I/t监控报警（3）占用的全局变量 T_48m M130.0 连接电源模块控制端子48的状态T_63m M130.1 连接电源模块控制端子63的状态T_64m M130.2 连接电源模块控制端子64的状态D_T64m M130.6 使能延时 SP_STOPm M130.4 主轴停止 PO_END M130.7 上电过程结束P_TON C31 计数器31-CTU用于定时（4）相关PLC机床参数 MD1451016 WORD 1-车床；2-铣床MD1451216Bit0 BOOL 0-正常运行；1-调试过程中3、子程序34 - MCP_802D (802D MCP 信号传递) （1）子程序 34 的目的 子程序 34 将来自 802D机床控制面板的输入信号，通过PP72/48输入传递到接口数据区 V1000xxxx 以备后续子程序进一步处理。按键的布局如与分配如下表： 802D机床控制面板具有两个50芯的扁平电缆插座用来连接PP72/48模块。每个插座具有24个数字输入和16个数字输出。它们排列如下：表6.5 MCP按键表802D MCP对应的按键X1201输入字节0；对应按键#1#8输入字节1；对应按键#9#16输入字节2；对应按键#17#24输入字节0；6个对应用户自定义键的发光二极管X1202输入字节3：对应按键#25#27输入字节4：对应进给倍率开关（5位格林码）输入字节5：对应主轴倍率开关（5位格林码）输入字节1：保留2条扁平电缆可以连接PP72/48模块（PROFIBUS总线地址9）上任意插座：表6.6PP72/48输入字节输出字节X111IB0，IB1，IB2QB0，QB1X222IB3，IB4，IB5QB2，QB3X333IB6，IB7，IB8QB4，QB5该子程序可能激活以下两个报警：报警700024-机床控制面板故障报警700025-点动按键没有定义802D机床面板MCP或任何制造商自制的机床面板上所有按键或按钮，必须映像到MCP信号接口：表6.71000来自MCP的信号写/读接口信号：MCP到PLCByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit010000000NC-停止请求操作方式单段方式手动方式MDA方式自动方式10000001NC-启动主轴手动钥匙开关保护级7机床功能主轴正转主轴停止主轴反转参考点方式再定位方式10000002进给变增量钥匙开关包护级4机床功能启动停止增量1000增量100增量10增量110000003复位钥匙开关进给倍率（5位格林码）保护级6保护级5EDCBA10000004轴点动键用户自定义键（CK）4轴4轴+快速叠加CK4CK3CK2CK1CK010000005空CK5轴点动键3轴3轴+2轴2轴+1轴1轴+10000006用户自定义键用户自定义键空空空空空空空10000007用户自定义10000008主轴倍率（5位格林码）000EDCBA1100来自MCP的信号写/读接口信号：PLC到MCPByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit011000000NC-停止请求操作方式单段方式手动方式MDA方式自动方式11000001NC-启动主轴手动空机床功能主轴正转主轴停止主轴反转参考点方式再定位方式11000002进给变增量空机床功能启动停止增量1000增量100增量10增量111000003空空空空空空空空11000004轴点动键用户自定义键上的发光二极管LEDs4轴4轴+快速叠加CLED5CLED4CLED3CLED2CLED111000005空CLED6轴点动键3轴3轴+2轴2轴+1轴1轴+11000006用户自定义键用户自定义键空空空空空空空11000007用户自定义键（2）局部变量定义输入： PB_0 BYTE对应于按键 K1 K8 PB_1 BYTE对应于按键 K9 K15和K20 PB_2 BYTE对应于按键 K16.K19和21K24 PB_3 BYTE对应于按键 K25K27Fov BYTE对应于进给倍率 Sov BYTE对应于主轴倍率 Drv_En BOOL驱动器使能键 1：使能；0：禁止 当机床参数 MD1451218 bit 3=1时有效，用户定义键 1做为驱动器使能键 I_En BOOL NC启动条件 输出：将用户接口“用户按键信号”由V1100 xxxx数据区送至： LEDs BYTE对应用户定义键的发光二极管 L1 到L6 ERR1 BOOL错误信息：MCP故障（检查MCP硬件）ERR2 BOOL错误信息：点动键没有定义（3）占用的全局变量MB107-用于手持单元点动按键的内部接口 （4）相关 PLC 机床参数MD1451028 +X点动键的键号MD14510 29 +Y 点动键的键号 MD14510 30 +Z点动键的键号MD14510 31 +A点动键的键号MD14512 16Bit4 主轴点动操作方式：0触发信号；1保持信号4、子程序 38-MCP_NCK（MCP和HMI信号处理）（1）子程序 38 的目的 该子程序的目的是将来自MCP（V1000xxxx）和 HMI（V1700xxxx,V1800xxxx and V1900xxxx）接口信号送到 NCK接口，以激活如操作方式等。主要功能有： 1. 选择操作方式 2. 选择增量 3. HMI信号送NCK接口 (如程序控制、手轮等 ) 4. 根据PLC机床参数对点动控制 （2）局部变量定义 无 （3）占用的全局变量 无 （4）相关 PLC 机床参数 MD1451016 WORD 1-车床；2-铣床5、子程序 40 -AXES_CTL (主轴和进给轴控制） （1）子程序 40 的目的 该子程序的目的是控制驱动器脉冲使能（V380x4001.7）、控制使能（V380x0002.1），监控硬限位和参考点碰块，控制电机抱闸的释放等。该子程序提供两种硬限位的控制方式：一种是 PLC方案（MD1451218 bit 7=0），且支持每轴双硬限位开关或单硬限位开关和硬件逻辑方案（MD1451218 bit 7=1），既急停链（超程链）（注意：若采用超程链，必须严格按照下图接线）。主轴的使能条件是主轴命令，如M03等，主轴使能的取消条件可由该子程序的选择信号“SPAD”(也可通过机床参数MD1451216Bit1=1)选择；“0”是无主轴命令且主轴已经停止时，按MCP上的主轴停键；“1”无命令时，主轴使能自动取消。表6.8 硬限位编码表硬限位编码结果E_Key_LMTp_2LMTp_3LMTp运动方向0111-急停键生效0011V39000004.71+超限0011V39000004.61-超限0001V39010004.72+超限0001V39010004.62-超限0000V39020004.73+超限0000V39020004.63-超限注意：急停和硬限位时，电源模块控制端子64和端子9自动断开。（2）局部变量定义输入： NODEF WORD 保留字 T_64 BOOL 电源馈入模块控制端子64的状态T_63 BOOL 电源馈入模块控制端子63的状态SPAD BOOL 选择信号：1-主轴使能自动取消; 0-主轴停止键取消使能 OPTM BOOL 抱闸释放开关（NO），用于驱动器优化OVLrel BOOL 超程释放开关（NO） _1LMTp BOOL 第一轴硬限位开关正（NC）* _1LMTn BOOL 第一轴硬限位开关负（NC） _1REF BOOL 第一轴参考点开关（NO） _2LMTp BOOL 第二轴硬限位开关正（NC）* _2LMTn BOOL 第二轴硬限位开关负（NC） _2REF BOOL 第二轴参考点开关（NO） _3LMTp BOOL 第三轴硬限位开关正（NC）* _3LMTn BOOL 第三轴硬限位开关负（NC） _3REF BOOL 第三轴参考点开关（NO） _4REF BOOL 第四轴参考点开关（NO） _5REF BOOL 第五轴参考点开关（NO） * 注意：如果只有一个硬限位开关，或使用超程链位时，使用硬限位正作为输入。输出： _BRK BOOL 抱闸释放输出（“1”有效） HWLon BOOL 硬限位输出（“1”有效） MSG1 BOOL 信息：驱动器优化时抱闸已经释放（3）占用的全局变量 X_M_DIR V14000063.0 X轴运动方向：1：+方向：0：-方向；Y_M_DIR V14000063.1 Y轴运动方向：1：+方向：0：-方向；Z_M_DIR V14000063.2 Z轴运动方向：1：+方向：0：-方向；（4）相关PLC 机床参数 MD1451218 Bit 7 1：超程链生效0：PLC硬限位方案（下列参数位生效） MD1451218 Bit6/5/41：每个轴只有一个硬限位开关 0：每个轴的两个方向都有硬限位开关 MD1451218 Bit 1 1：子程序输入 #OPTM生效：#OPTM=1 -释放抱闸；#OPTM=0 -抱闸锁紧；0：子程序输入 #OPTM无效注意：（1）优化是指对驱动器的控制参数自动设定。对带抱闸电机的速度环进行优化时电机的抱闸必须释放，对电流环进行优化时，电机抱闸必须紧锁。输入信号#OPTM正是用于此目的。该输入必须在机床参数MD1451218Bit1为“1”时才生效。（2）急停（V27000000.1=1）在任何时候均可将抱闸锁紧；（3）下列报警在优化时出现： 报警700026-驱动器优化时抱闸已释放重要事项在驱动器优化完毕后，必须将机床参数MD1451218Bit1设为“0”。6、子程序 44 -COOLING（冷却控制）（1）子程序 44 的目的 该子程序在手动方式下通过 MCP 上的按键启动或停止冷却；在自动方式或 MDA 方式下由零件程序中的辅助功能 M07 或M08 启动冷却，由M09 停止冷却。在急停、冷却电机过载、程序测试和仿真方式下，冷却启动被禁止。该子程序可以激活下列报警信息：报警 700018 冷却泵电机过载报警 700019 冷却液液位低 （2）局部变量定义输入： NODEF WORD 保留字C_key BOOL 手动操作键（触发信号） OVload BOOL冷却电机过载 (NC) C_low BOOL冷却液液位低 (NC) C_dis BOOL 冷却禁止（NC）输出： C_out BOOL 冷却输出 C_LED BOOL 冷却输出状态显示 ERR1 BOOL 错误信息：冷却电机过载 ERR2 BOOL 错误信息：冷却液液位低（3）占用的全局变量 MB151.0 冷却液开关状态 （4）相关PLC 机床参数 无 6.4伺服系统的调试SIMODRIVE 611UE配备Profibus接口模块，用于速度环和电流环控制。伺服电机采用1FK6系列，编码器为1Vpp正弦波。802D的位置环控制由PCU完成。6.4.1轴/主轴的调试标准/实际值调换 利用轴机床数据MD 30130: CTRLOUT_TYPE可以将额定值输出，利用MD 30240:ENC_TYPE可以将实际值输入在模拟和PROFIBUS驱动系统之间进行切换。表6.9 模拟值切换表机床数据模拟普通模式MD 301300 模拟1额定值通过Profibus输出MD 302400 模拟1实际值通过Profibus读取说明模拟时必须使MD 31130 和MD 30240设置为零。为了使相应的NC轴将其额定值调换到正确的PROFIBUS驱动系统上，且仍由该PROFIBUS驱动系统反馈实际值，便要对机床数据MD 30110: CTRLOUT_MODULE_NR和MD 30220:ENC_MODULE_NR进行参数设置。说明在双轴功率部件中，必须将两个驱动系统（A和B）分别分配给一根轴。否则便会在引导启动时出现错误信息（驱动报警832，Profibus与主控设备节拍不同步），且整个功率部件未运行准备就绪。在铣削的标准数据组中，已为该轴机床数据进行了合理的预设。对于铣削标准数据组而言：表6.10 铣削标准数据表轴驱动系统编号MD30110MD30220Profibus地址功率部件X1112双轴：驱动系统AY1212双轴：驱动系统BZ1313双轴：驱动系统ASP510单轴A1413双轴：驱动系统B如果该预设与机床配置不匹配，就必须对数据进行调整。说明两个机床数据MD 31110: CTRLOUT_MODULE_NR和MD 30220: ENC_MODULE_NR必须逐轴用相同的驱动系统编号进行设定，因为在测量系统和电机之间有固定的对应关系。要进行调试的机床为铣床。该铣床有三根轴和一根主轴。X1和Y1轴将由一个双轴功率部件进行控制，Z1轴和主轴将分别由一个单轴功率部件控制。已装载铣床的标准数据组（setup_m）总线配置已通过MD 11240 = 3进行选择轴机床数据MD 30110: CTRLOUT_MODULE_NR和MD 30220: ENC_MODULE_NR将被如下调整（仅在Z1轴中必须更改MD 30110和MD 30240）表6.11 铣床驱动数据
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