数控导轨磨床

1、吉林大学本科毕业设计说明书中文摘要 数控导轨磨床MM52160整体采用双柱式龙门框架结构，由床身、工作台、立柱、横梁、滑板、磨头等主要部件组成。M52160的主运动是周边磨头、万能磨头带动砂轮的旋转运动。机床的纵向进给由液压系统驱动工作台运动来实现，床身、工作台为双V型自定位导轨，提高了工作台运动的直线性。其中一条导轨体是横向可浮动的，补偿了由于导轨副运动摩擦发热而引起的导轨中心距的变化。水平和垂直方向的进给均由伺服电机通过滚珠丝杠螺母副驱动执行元件（横滑板和垂直滑板）运动来完成。该机床的控制系统采用主从式模块化控制结构，微机作为中央控制器，实现对进给系统控制模块、主运动速度控制模块、以及辅助

2、系统的集中控制管理。进给系统的控制由PLC来完成。关键词 数控导轨磨床 整体结构 控制系统 外文摘要Title The design of Numerical control guideway grinder AbstractNumerical control guideway grinder MM52160 is formed of body section, workbench, upright column, beam, sliding plate and grinding head . The rotational movement of the periphery grinding

3、head and the universal grinding head is the primary motion of this numerical control guideway grinder. The longitudinal feed is realized by the hydraulics system. The workbench is driven by a hydraulics cylinder. There are two V-mode piece of guideway on the workbench ,one of which is relocatable. S

4、o the straightness of the longitudinal feed is greatly advanced. And the same time , it can compensate the variation of the guideways center distance caused by friction fever. The feed movement on both horizon and vertical direction is completed by sliding plate and ball screw driven by A.C servo-ac

5、tuator . The control system of this numerical control guideway grinder adopts master-slave mode and modular control structure. As a central control unit, the microcomputer centralized control and supervise the input system control module, the primary motion velocity control module, as well as the su

6、bsystem. The input system control module is controlled by a programmable logic controller. The velocity of primary motion is changed by transducer.Keywords numerical control guideway grinder structure control system目 录1 引言42 机床总体方案及主要参数确定52.1 机床总体方案52.2 机床主要参数确定73 周边磨头部件设计73.1 运动和动力参数计算73.2 周边磨头主轴部件

7、设计计算83.3 周边磨头垂直滑板设计计算184 床身工作台设计204.1 床身工作台总体尺寸确定204.2 床身工作台导轨设计205 控制系统设计225.1 控制对象的描述225.2 总体控制方案确定235.3 电气控制系统硬件的选择245.4 控制系统程序设计26毕业设计总结33致谢34参考文献34附录 A36391 引言近些年来，随着机械工业在我国的迅猛发展，被称为工作“母机”的金属切削机床也有了前所未有的进步。2003年开始，中国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国。磨床是机械加工后道工序的关键设备。车、铣、刨、镗床等金切机床上难以加工的淬硬材料和难加工材料或达不

8、到精度要求的机械零件都在磨床上加工。随着科学技术的发展和社会进步，机械产品的加工精度越来越高，表面粗糙度越来越低， 使得磨床在国民经济各部门的作用越来越大。因而专用于导轨和平面加工的导轨磨床的需求量越来越大。而且， 国内外实践证明，用磨削方法加工的导轨表面，在工作中能很好形成油膜，耐磨性亦比刮研的导轨面高， 况且磨削加工机床导轨面比刮研的方法生产率要高。尽管近年来国内的导轨磨床有了较大的发展，但与国外设计、生产的先进的导轨磨床相比尚有很大的差距，特别是在精度和自动化方面，从而导致每年必须进口相当数量的数控导轨磨床。由此可见，加大力度设计和研制具有自主知识产权的数控导轨磨床是必要的也是必须的。下

9、面首先简单介绍一下国内外数控导轨磨床的发展情况。目前，在国际上德国、日本和瑞典的机床制造水平最高。其中德国、瑞典在制造精度方面处于领先地位，日本则产量和自动化方面占有优势。在诸多龙门导轨磨床制造厂之中， 以德国瓦德利希·柯堡(Waldrich Coburg)公司水平最高。该公司从70年代开始发展数控导轨磨床。近年来在S系列的基础上， 相继开发了SPS系列部分自动华化龙门导轨磨床、SNC系列全自动导轨磨床和SZ系列超级自动化的磨削中心。SPS 系列磨床采用Siemens 810M 数控系统， 控制万能磨头垂直(z轴)和水平(y轴)运动， 以及万能磨头在垂直平面内的回转运动( 轴)； 控

10、制周边磨头的垂直( 轴)和水平轴 轴)的运动。SNC系列垒自动导轨磨床采用Siemens 850M或880M 的数控系统。除少数监督功能外， 自动完成全部磨削加工， 开发了导轨磨床的专用软件， 其最多控制轴可达l1轴。SZ系列超级自动磨削中心，采用Siemens 850或880M 数控系统， 横梁固定， 用一个万能磨头， 其功率可达l 85kW 和22kW。垂直拖板的行程可达l250mm。装备有砂轮库， 可自动换砂轮和砂轮罩壳， 具有双工作台驱动， 以提高机床的生产效率。除装卸工件外， 机床自动完成全部磨削加工。包括砂轮的自动修正和补偿， 按NC要求进行砂轮的动平衡， 磨头主轴的自动定位，按N

11、C要求实现机床的磨削自动工作循环。尽管近年来国内的导轨磨床有了较大的发展，但与国外设计、生产的先进的导轨磨床相比尚有很大的差距。主要体现在下列几个方面：1装备方面机床精度，切削效率，自动化程度， 吸尘防护以及操作性能与国外有关资料介绍的还有很大差距。另外， 机床的一些基础件， 如各种液压、气动、电子元件等可靠性不好， 从而影响了整机的性能。特别是：机床关键零部件，如导轨，箱体件，齿轮副，丝杠，轴等的加工工艺与国外相比还很落后，不能满足高精密机床的要求。2加工方面国内生产的导轨磨床的磨削精度， 表面粗糙度， 表面波纹度等与国外先进水平相比尚存在一定差距。3测量方面：与国外先进水平相比， 国内在对

12、用导轨磨床加工好的导轨副的测量技术也是落后的。国外普遍在生产车间直接采用精密测量设备来测量机床导轨，如激光测量仪，电子水平仪， 电子千分尺 三坐标测量机等。而国内对于导轨副的测量还没有普遍采用自动测量。目前国内数控导轨磨床的主要生产厂家有：上海重型机床厂、杭州机床集团、长春第一机床厂等。2 机床总体方案及主要参数的确定21机床总体方案 数控导轨磨床M52160整体采用双柱式龙门框架结构，由床身、工作台、立柱、横梁、滑板、磨头等主要部件组成。其总体布局如图1所示。1.横梁 2.周边磨头横滑板 3.周边磨头垂直滑板 4.周边磨头5.万能磨头垂直滑板 6.万能磨头 7.万能磨头横滑板 8.立柱9.床

13、身 10.工作台图2-1 机床总布局图M52160的主运动是周边磨头、万能磨头带动砂轮的旋转运动。周边磨头砂轮直径大，磨削功率大，效率高，精度高，适合于磨削水平导轨以及大平面。万能磨头可以绕中心回转90度，能够磨削不同角度的导轨面。机床的纵向进给由双活塞杆液压缸驱动工作台运动来实现，横向进给由伺服电机通过滚珠丝杠螺母丝杠螺母副带动横滑板沿横梁导轨作水平运动来实现。由于两个磨头不可以同时工作，因此用同一台伺服电机来控制两个磨头的横向运动，通过横向进给箱中的电磁离合器来选通需运动的磨头。垂直方向的进给由伺服电机、滚珠丝杠螺母副来实现垂直滑板与横滑板之间的相对运动。磨头的水平及垂直运动均采用滚动导轨

14、，以消除爬行， 导轨体为淬硬钢条，提高寿命和精度保持性。机床床身浮置于地基之上，磨削受热之后，可以在水平方向内自由伸缩，从而提高了工件在垂直方向的直线度。其次，工作台与立柱之间采用分离型结构，以减小床身工作台由于导轨之间的摩擦及液压进给系统发热变形而对立柱、横梁造成的影响，提高了磨头的横向运动精度。立柱与工作台均有垫铁支承，便于调整横梁与工作台的精度。另外，床身、工作台为双V型自定位导轨，使工作台在运动中受到对称摩擦力，消除了一V一平导轨由于摩擦不对称而产生的弯曲和震动，提高了工作台运动的直线性，工作台导轨表面贴塑，减小了滑动摩擦系数，从而减小了所需的驱动力和爬行现象，磨损小，寿命长并有良好的

15、抗震性。可以降低对导轨材质的要求，而且由于液体有吸震性，且刚性好，因而导轨有良好的抗震性及较大的承载能力。此外这种导轨有低速不爬行，运动均匀性好，以及驱动力小等优点。工作台上的一条V型导轨与工作台作为一体，另一条V型导轨体用横向键与其保持横向滑动定位，称为自位导轨，由于这一条V型导轨体是横向可浮动的，工作台和床身配合的二个V型导轨中心距能自动调整正，补偿由导轨副运动摩擦发热而引起的中心距变化。22机床主要参数确定根据导轨磨床的现有标准，参考其它普通导轨磨床的尺寸参数，数控导轨磨床M52160的基本参数确定如下最大磨削宽度 1600mm立柱间距 2000mm最大磨削长度 6000mm最大磨削高度

16、 1000mm工件最大重量 9000Kg工作台最大行程 6500mm工作台速度 530m/min水平方向快速移动速度 2000mm/min垂直方向快速移动速度 2000mm/min砂轮尺寸 周边磨头 平面砂轮600×100×305 万能磨头 平面形400×63×127 杯形400×63×127 碗形400×63×127加工精度为满足一般机床的要求， 导轨要达到如下精度：在水平面内的直线度小于001mmlOOOmm， 在垂直平面内的直线度小于0OlmmlOOOmm，导轨平行度小于0O2mmlOOOmm，导轨表面粗糙度

17、R 04。3 周边磨头部件设计31运动参数和动力参数设计计算3.1.1 主轴极限转速和转速范围（周边磨头） 由金属切削加工手册查得平面磨削砂轮的线速度范围为v2030m/s,则主轴的转速范围n637955r/min由于其转速变化范围不是很大，可采用三相异步电机变频调速来实现。3.1.2 最大磨削功率的确定由机床的实际加工过程可知，在粗磨大平面时机床消耗的功率最大，因此需根据该工况的工艺参数来计算主轴的最大功率。根据金属切削加工手册，平面粗磨的切削用量如下:工作台速度 v<20m/min最大切削深度 a0.03mm最大切削宽度 fg40mm则最大金属切除率1000×40×

18、;20×0.03由机床设计手册磨削功率 （为单位磨削功率）查表得则因此综合考虑转速和最大功率选用Y200L-6三相异步电机，额定转速970r/min, 额定功率18.5Kw，采用变频器来调速。3.1.3 最大磨削力和扭矩的确定粗磨时，砂轮的线速度范围是=2025m/s,即砂轮转速637r/min796r/min，则切向磨削力 ，径向磨削力，得该砂轮最大切向磨削力 最大径向磨削力2.82KN 最大扭矩TD/2=264.7N.m32周边磨头主轴部件设计计算3.2.1主轴最小轴径由于主轴对弯曲和扭转变形要求很高，因此不能根据弯曲和扭转强度来估算最小轴径。参考现有导轨磨床以及其他平面磨床的主

19、轴，粗选主轴最小轴径D1003.2.2主轴支承结构由于主轴的转速较高且转速较大，因此考虑采用液体静压轴承支承。液体静压轴承的特点是：1)能始终处于液体润滑状态下工作，摩擦阻力小，功耗小，传动效率高；2)正常运转和启动时都不会发生金属直接接触精度保持性好，使用寿命长；3)在各种速度下，甚至速度度为零时，都具有较大的承载能力；4)油膜具有补偿误差的作用，能减少轴和轴承制造误差的影响，轴的回转精度高；5)油膜刚度大、阻尼性能好，高速运转时有抑制油膜振荡作用；综合考虑各种因素，选用静压轴承的结构形式为周向四油腔、恒压力供油、小孔节流。静压轴承的具体设计计算如下：（1） 支撑轴径的确定 考虑结构需要，轴

20、径d取110mm。其余参数参考机械设计手册中静压轴承结构参数推荐值。（2） 轴承的长度L取L130（3） 轴向封油面的长度a及周向封油面的宽度b ab0.1d11则油腔长度l108（4） 回油槽宽度c及其深度 c0.05d5.5轴承转速则0.52mm。取1mm油腔张角相邻回油槽之间的夹角（5） 轴与轴承的配合间隙2h。 D>100mm时，2h。（0.00040.0006）d=0.0440.066 取2h。0.045（6） 油腔深度 为保证足够的承载面积 ，取（7）轴承的壁厚保证不形成薄壁零件，考虑油孔空间25（8）轴与轴承的配合间隙2h。的公差 h。 h。，因此取h。（9）轴与轴承的几何

21、精度误差（圆度、圆柱度、同轴度） 取D0.005（10）轴承外圆与箱体孔的配合 过盈量00.02mm（11）两个向心轴承中心跨距l l（46）d400600 取l400mm（12）选择节流比，液阻比考虑油温变化而引起的值的变化，应使油温为2050度时1.53.0，液阻比。一般情况下，当0.71，1.71时轴承具有最佳刚度，即1.71为最佳节流比（13）确定供油压力 粗选供油压力为2.5MPa则油腔压力/14.6MPa（14）计算一个油腔的有效承载面积（15）计算轴承油膜刚度J （16）轴向推力轴承的结构尺寸轴肩半径：轴肩的厚度 当d50200mm时，H。（0.10.2）d1122mm取H。20

22、mm3.2.3主轴带传动的设计计算为了有效地将电机产生的振动与主轴隔离，在电机与主轴之间采用带传动。因为带传动有很好的缓冲、减震和吸阵作用。不需要减速因此传动比选1：1。考虑传动的扭矩比较大且转速较高，选用多楔v带传动。多楔带又称为复合三角带，是一种新型的三角胶带，由于它综合了普通V带和平胶带的优点，在机床的传动中正在获得越来越广泛的应用。它与普通V带相比较，且有下列优点： (1)传动功率大。由于多楔带和带轮的接触好，各工作面间的裁荷分布均匀，故多楔带的承裁能力高。(2) 消除了多根胶带长短不齐的现象。多楔带振动小，发热少，运转平稳。(3)伸长率小，使用寿命高。 (4)运转速度高。由于多楔带的

23、断面尺寸小，重量轻，强力层的耐曲挠性能好，适于以较小的带轮直径在高速下(达40 m/s)运转。多楔带的具体计算如下，参考机床设计手册（零件设计）表5.2-26（1）确定计算功率 查表5.2-5，K1.2（2）选择多楔v带型号 根据和查图5.216，选M型多楔带。（3）确定带轮计算直径由表5.2-20选带轮推荐直径180mm，由传动比1得180mm（4）初定中心距A。（中心距过大易振动，过小则寿命低），即1801080考虑到结构需求，初选1000mm（5）求胶带计算长度L 按表5.2-18选最接近的长度为L2583mm(6) 计算准确中心距 得， Aa/4=1008.9mm带的中心距是可以调整的

24、，考虑安装调整和补偿初拉力（如带伸长而松弛后的张紧）的需要，中心距的变动范围为(7) 确定多楔带的齿数Z 查表5.2-25得，1.972Kw；1.00；1.00则Z11.3，取Z12齿。多楔带的具体断面尺寸如下：齿距t9.5 H1.67 h9.6 h。13.05 （8）多楔带轮的基本尺寸 外径 宽度 ，取B125 带轮材料为45钢（9）多楔带的张紧装置 带经过一定时间的运转后，就会由于塑性变形而松弛，使初拉力F。降低。为了保证传动能力，应定检查初拉力的数值。如发现不足时，必须重新张紧，才能正常工作。具体张紧装置如周边磨头装配图中所示，将安装有带轮的电机安装在基座上，基座用螺栓固定在垂直滑板上，

25、基座上的螺栓孔为长槽，可使基座相对于垂直滑板上下滑动。要调节带的张紧力时，松开基板上的各螺栓，旋动调节螺钉，将电机推到所需的位置，然后拧紧基座与垂直滑板的连接螺栓。3.2.3主轴端部卸荷带轮结构设计由于带的张紧力对主轴的刚性影响很大，因此在主轴端部设计了卸荷带轮结构，将带的拉力直接传递到主轴箱体上，而扭矩通过带轮端盖螺钉和键来传递到轴上，从而大大减小了主轴的径向力，提高了主轴的刚性。由于端盖螺栓以及键传递很大的扭矩，因此需校核其强度。（1）螺栓组联接设计计算采用圆周均布，螺栓数Z=4，均布直径d180。螺栓仅受扭矩T295Nm，则每个螺栓所受的工作剪力为819.4N；螺栓所需的预紧力选择螺栓材

26、料为Q235，性能等级为4.6的螺栓，查表得 ，S1.5因此螺纹小径按粗牙普通螺纹标准，选用螺纹公称直径d10（小径8.376>7.88mm）(2) 联接平键的校核根据轴径查表选择键的尺寸是，普通平键联接，其主要失效形式是工作表面被压溃，强度条件为MPa可见，联接键的强度足够。3.2.4主轴强度校核主轴B点的在水平和垂直方向的弯矩分别为:垂直方向 水平方向 由前面的计算可得扭矩 主轴弯矩与扭矩如图3-1所示，图3-1 主轴弯矩与扭矩图合成弯矩 按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩及扭矩的截面（即危险截面B）的强度。则当量弯矩 前以选定轴的材料为40，调质处理，

27、查表得许用弯曲应力因为4.94<,故安全。精确校核轴的疲劳强度判断危险截面时，综合分析考虑以下三方面的影响：载荷大小、轴径大小、应力集中程度。从受载情况来看，显然截面B处的最大，但该处基本没有应力集中。而用来承受推力的轴肩处，载荷较大并且由于轴径变化大，应力集中严重，因此确定该截面为危险截面。计算安全系数：轴肩截面处的抗弯截面模量为抗扭截面模量为 作用于该截面的弯矩为 M作用于该截面的扭矩为 截面上的弯曲应力 截面上的扭转应力 轴的材料为40，调质处理。由表查得，。 该截面处由于轴肩圆角形成的理论应力集中系数按 r/d=5/110=0.045,D/d=160/110=1.45,经插值后可

28、查得， 又由附图查得轴材料的敏性系数为 故有效应力集中系数为 查表得尺寸系数为 表面质量系数为 轴未经表面强化处理，即，则按下式计算可得综合影响系数值为故轴肩截面处的计算安全系数值可按下式计算得 显然，该轴的疲劳强度足够。3.2.5主轴刚度校核主轴的受力情况如下图所示，轴承跨距400mm；悬伸量a176mm 图3-2 主轴垂直方向受力图主轴的变形主要由两部分组成，主轴自身的受力变形和静压轴承油膜的受力变形，主要的精度要求是C点的挠度<0.01mm1）由主轴变形产生的挠度 P在C点的挠度（E取200GPa）2）由油膜变形引起的挠度假设轴为刚性，则其受力变形情况如图3-3， 图3-3 静压轴

29、承油膜变形图A、B两点的支反力分别为：油膜刚度由前面计算可知J则根据叠加原理，C点的总变形量<0.01mm可见，主轴的刚度足够。33周边磨头垂直滑板的设计计算垂直滑板主要用来完成机床的垂直方向进给运动，为了保证进给精度，直接用伺服电机带动滚珠丝杠旋转，螺母固定于横滑板上，从而使丝杠带动垂直滑板上下运动。两滑板之间采用滚动导轨，以消除爬行， 导轨体为淬硬钢条，提高寿命和精度保持性。3.3.1滚珠丝杠副的选用滚珠丝杠副的承载能力用额定动载荷来表示，它的定义、计算和选用方法和滚动轴承基本相同。滚珠丝杠副的额定动载荷 其中，寿命系数，查表得15000h，则3.10 载荷性质系数1.2； 动载荷硬

30、度影响系数 1.56 转速系数 0.29 最大轴向力（丝杠最大的轴向力主要是垂直滑板的重力。）因此，查表，选用W1Ch型外循环齿差调整预紧的双螺母滚珠丝杠副W1Ch6008，名义直径60mm，螺距8mm。额定动载荷C。>C3.3.2滚珠丝杠的支承方式选择。为了提高丝杠刚度，丝杠采用两端固定式支承，即两端均用一个双向止推轴承和一个向心球轴承支承。这种结构方式可使丝杠的热变形转化为止推轴承的预紧力。根据结构的需要，预选向心轴承代号6210，双向推力轴承52208。由于该丝杠承受的径向力很小，轴向力较大，因此只校核推力轴承的寿命。由前面的计算可知该推力轴承的最大轴向力AN，载荷系数按中等冲击或

31、中等惯性力选取，当量动载荷 则轴承的寿命一般情况下，金属切削机床轴承的预期寿命选取2000030000h，因此该推力轴承寿命足够。3.3.2滚珠丝杠副的自锁由于滚珠丝杠副的传动效率高，无自锁作用，为了防止垂直滑板在失电情况下由于自重下滑，在滚珠丝杠的末端增加制动装置，即失电制动器。失电制动器的原理是，当电机得电工作时，电磁铁线圈通电吸住压簧，打开摩擦离合器，电机带动丝杠转动。当电机失电停止转动时，电磁铁线圈亦同时断电，在弹簧作用下摩擦离合器压紧，使得滚珠丝杠不能转动，垂直滑板就不会因自重而下沉了。为了保证制动迅速可靠，需计算所需失电制动器的制动扭矩。由垂直滑板自重产生的使丝杠回转的扭矩传动效率

32、 （中径处的螺旋角，当量摩擦角）因此 考虑到安全以及制动迅速，取制动扭矩 根据以上计算，选用DHD150普通型失电制动器。其制动扭矩为50N.m，功率27W。4 床身工作台设计41床身工作台总体尺寸确定床身工作台总体尺寸的确定，根据工件的最大长度为6m，确定工作台长度取6.5m，工作台行程至少为6m，考虑工作台在换向与停止过程中的缓冲，床身长度取13m。42床身工作台导轨设计4.2.1导轨结构形式选择导轨的作用是承受载荷和导向。考虑到导轨磨床M52160对承载能力和导向精度都要求很高，因此床身工作台采用双V浮动表面贴塑导轨，双V导轨不需要镶条调整间隙，接触刚度好，导向性和精度保持性好。两导轨截

33、面均为V形，对称布置使得工作台的受热变形均匀、对称，提高了加工平面的平行度和表面精度。工作台导轨表面贴塑减小了滑动摩擦系数，从而减小了所需的驱动力和爬行现。导轨工作台截面如图4-1所示。 工作台上的一条V型导轨与工作台一体，另一条V型导轨体用横向键与其保持横向滑动定位，称为自位导轨，如图4-2所示，由于这一条V型导轨体是横向可浮动的，工作台和床身配合的二个V型导轨中心距能自动调整，补偿由导轨副运动摩擦发热而引起的中心距变化。图中所示螺钉是为了使装配容易而设计的，浮动导轨装配时，先将横向键固定到工作台上，然后用长螺钉将浮动导轨与键连接，该螺钉的预紧力需用测力扳手控制，以保证工作台受热变形后可以在

34、水平方向微量浮动。工作台导轨表面粘贴以聚四氟乙烯为基体的塑料软带，其特点是摩擦因数小，耗能低；动静摩擦因数接近，低速运动平稳性好；阻尼特性好，能吸收振动，抗阵性好，有自身润滑作用，没有润滑油也能正常工作，使用寿命长；结构简单，维护修理方便，磨损后容易更换，经济性好。但是，刚性较差，需校核导轨的比压。 为提高导轨耐磨性和防止塑料软带撕伤，动导轨和支承导轨应具有不同的硬度。因此，工作台导轨用普通铸铁，不淬火，床身导轨需淬火处理。图4-1 导轨工作台断面图图4-2 浮动导轨局部视图4.2.2导轨的比压计算导轨的损坏形式主要是磨损，而导轨的磨损又与导轨的比压（单位面积上的压力）有密切关系。因此在初步选

35、定导轨的结构尺寸后，应该核算导轨面的比压，使其限制在允许的范围之内。 工作台导轨主要受加工工件和工作台的重力。工件的最大重量是9000Kg，估算工作台的重量为6000Kg。则垂直向下的合力G由于采用双v导轨，载荷对称分布，每条导轨受力为G/2每个导轨面所受的正压力为导轨面的比压为 查表得： 铸铁导轨的许用比压为； 聚四氟乙烯贴塑导轨的许用比压为；导轨面的比压小于许用比压，即导轨截面尺寸合理。4.2.3浮动导轨导向键的校核由导轨面比压校核过程中的计算过程可知，浮动导轨承受的摩擦力根据导轨截面尺寸确定横向键尺寸为，浮动导轨分两段，每段由两个键来导向，其中一个用来承受力，另一个主要起限制导轨的转动自

36、由度。因此，只有两个键同时受力。其强度条件为 （考虑到工作台换向与停止过程中的冲击，取载荷系数K2）可见，横向键的强度是足够的。5 控制系统设计51控制对象的描述数控导轨磨床的运动控制主要包括三部分，主运动系统、进给系统、辅助系统。主运动的控制是指周边磨头、万能磨头的转速控制。进给系统则包括工作台的纵向进给、横滑板和垂直滑板的横向及垂直进给。辅助系统时指润滑系统、静压轴承供油系统等辅助运动电机的开停控制。其中进给系统的控制最复杂。根据加工工艺需要，周边磨头有五种进给方式：快速移动、慢速移动、周期进给、连续进给以及微量进给；万能磨头有三种进给方式快速移动、慢速移动和微量进给。但周边磨头和万能磨头

37、不能够同时工作，因此可以只用一个伺服电机，通过电磁离合器来选择需要进给的磨头。该导轨磨床的基本工作流程如下a.开机，静压轴承供油系统启动，液压润滑系统启动。b.磨头旋转。c.启动横梁进给系统（包括横滑板、垂直滑板进给）。d.启动工作台进给液压泵。e.开始执行工作循环。f.工作循环完成，磨头回零点。g.机床停止。由以上动作流程可以看出，导轨磨床的进给过程在很大程度上属于顺序动作流程，因此非常适合于应用PLC来控制。52总体控制方案的确定根据上述对控制对象的描述和具体的控制要求，该控制系统可采用主从式模块化控制结构，微机作为中央控制器，实现对进给系统控制模块、主运动速度控制模块、以及辅助系统的集中

38、控制管理。主控微机将操作员通过键盘输入的数据，通过内部软件的运算处理，通过串行通信接口RS232C传送给进给模块的PLC以及主控系统的变频器。进给系统运用可编程序控制器（PLC）作为核心控制装置，实现对设备各种执行器件（包括进给伺服电机、各油泵电机以及电磁离合器等）的控制。主控微机还可以直接读取伺服电机控制器的内部控制数据，从而检测进给系统的工作状态；同时它还通过内部软件程序将检测数据转化为视频信息，直观地显示在屏幕上。主轴旋转速度由变频器来控制，变频器可与主控微机进行串行通信。该系统的控制框图如图5-1。图5-1 控制系统框图控制系统内部信息交换微机发出：微机向PLC发出各种控制数据，如工作

39、磨头序号、横滑板和垂直滑板运动位移以及运动速度以及磨头工作循环所需的其他数据。 微机向变频器发出频率控制信号。微机接收：伺服驱动器的内部状态，即进给系统的运动状态。PLC 发出：伺服驱动器的控制信号，其它各辅助运动控制的信号。PLC 接收：微机控制信号，各执行元件状态信号，及伺服运动系统到位信号。53电气控制系统硬件的选择5.3.1伺服电机及伺服驱动器的选择横梁伺服电机与垂直滑板伺服电机均选用和利时交流伺服电机，具体型号为130MB100B-2CE6E，该电机的技术参数在表5-1中列出。根据伺服电机的要求，伺服驱动器选择森创GS0150G，该系列伺服驱动器以美国TI公司最新的数字处理芯片（DS

40、P）作为核心控制芯片，采用了先进的全数字电机控制算法，完全以软件方式实现了电流环、速度环、位置环的闭环伺服控制，具备良好的鲁棒性和自适应能力，可配合多种规格的伺服电机，适应于各种需要快速响应的精密转速控制与定位控制的应用系统。 在本控制系统中主要用到以下几个控制引脚7脚：输入公共端23脚：伺服使能端27脚：脉冲指令信号输入12脚：脉冲指令信号输入28脚：方向/脉冲指令信号输入13脚：方向/脉冲指令信号输入表5-1 130MB100B-2CE6E型伺服电机技术参数额定输出功率W额定转矩 N.m最大转据 N.m额定转速 rpm最高转速 rpm15007.51820002500电机转子惯量 Kg.c

41、m2转矩系数 N.m/A额定相电流 A瞬间最大相电流A适配驱动器13.11.356.716.0GS0150G电枢绕组相电阻 电枢绕组相电感 mH机械时间常数 ms电气时间常数 ms重量Kg1.249.527.2411.55.3.2 PLC的选择 根据市场情况，OMRON公司的PLC产品指令功能强大，处理复杂控制的功能强;编程语言梯形图和指令助记符并重，编程简单，易掌握；特殊功能模块和智能模块品种多，使用方便；网络配置简单，实用，价格低。因此决定选用欧姆龙品牌PLC。CQM1H系列PLC是OMRON公司新近推出的中型PLC，该系列PLC为模块式结构，最多可插11个模块，I/O可达512点，能够满

42、足该系统的输入输出需求。CQM1H系列PLC自带RS232c串行通信接口，可与计算机进行串行通信。CQM1H系列PLC拥有脉冲I/O扩展模块，可以输出520kHZ的高速脉冲，能够满足伺服控制器速度控制端口的高频脉冲信号需求。PLC及其扩展模块的具体选择CPU模块：CQM1HCPU51I/O模块: 输入模块 CQM1ID212 16点 输出模块 CQM1OC221（2块） 8点 高速脉冲I/O模块 表5-2 PLC输入输出点明细输入点元件名称及代号输出点元件名称及代号00000启动按钮SB110000伺服驱动器1 23口00001急停按钮SB210001伺服驱动器1 28口00002工作台行程开

43、关SQ1110002伺服驱动器2 23口00003工作台行程开关SQ1210003伺服驱动器2 28口00004工作台限位开关SQ1310004伺服驱动器3 23口00005工作台限位开关SQ1410005伺服驱动器3 28口00006左横滑板限位开关SQ211000600007右横滑板限位开关SQ221000700008横滑板防碰撞限位开关SQ2310100周边磨头电机继电器KM100009左垂直滑板限位开关SQ3110101万能磨头电机继电器KM200010左垂直滑板限位开关SQ3210102丝杠电磁离合器KM300011右垂直滑板限位开关SQ3310103丝杠电磁离合器KM400012右

44、垂直滑板限位开关SQ3410104静压轴承供油泵电机00013伺服电机完成信号开关KM1110105润滑系统油泵电机00014伺服电机完成信号开关KM1210106工作台驱动液压泵电机00015伺服电机完成信号开关KM1310107报警灯、铃54控制系统程序设计梯形图编程是PLC程序设计的主要形式，梯形图直观、形象、易于接受。该程序段主要完成磨床从开机到完成加工以及回到零位过程中的顺序动作控制。下面简单介绍梯形图各程序断的含义。1）机床开机，首先启动液压润滑系统油泵和静压轴承供油油泵，在这两者未工作时其他任何部件都不可以相对运动。图5-2 PLC控制梯形图(1)2）液压系统启动的同时，计算机与

45、PLC之间进行数据通信。待液压系统完全启动以及数据通信完成之后，根据通信数据，接通所需工作磨头的离合器，横滑板开始进给。两个磨头的离合器与继电器均通过软件来实现互锁。图5-3 PLC控制梯形图(2) 3）横滑板到位之后，伺服驱动器发出到位信号到PLC的输入端，然后垂直滑板开始进给。垂直滑板的控制方法与横滑板基本相同。图5-4 PLC控制梯形图(3)4）垂直滑板到位之后，工作台开始进给，进入工作循环，工作循环的控制由子程序完成，这里并不涉及。图5-5 PLC控制梯形图(4)5）当机床完成每次工作循环之后，自动回到零点。其回位过程正好与进给相反。具体顺序如下：垂直滑板回位；横滑板回位；主轴电机停转

46、； 延时，待主轴完全停止转动之后，液压系统断电。 该过程的控制程序如图5-6图5-6 PLC控制梯形图(5)根据梯形图编写的指令程序如表5-2所示：表5-2 PLC指令语句表序号指令 说明序号指令说明123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142LD NOT 00004AND NOT 00006AND NOT 00009AND NOT 00012OUT 01600LD 00000OR 10105AND NOT 00001AND 01600OUT 10104OUT 10105LD 10105A

47、ND NOT TIM001TIM 001 #0030LD 00000RXD 080 085 #0005LD AR08AND NOT 08001AND 08000OUT 10100OUT 10102LD AR08AND NOT 08000AND 08001OUT 10101OUT NOT 10103LD AR08AND NOT TIM001TIM 001 #0030LD TIM001AND NOT 00013AND 01600AND NOT 00001OUT 10000OUT 10001PULS 000开机启动润滑系统启动静压轴承供油泵数据通信判断、并启动工作磨头，接通横梁电磁离合器434445

48、464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384AND NOT 000 IR081LD 00013OR 01601AND 01600AND NOT 00001OUT 01601LD 01601AND NOT 00014AND 08000AND NOT 08001OUT 10002OUT 10003PULS 000 000 IR082LD 01601AND NOT 00015AND 08001AND NOT 08000OUT 10004OUT 10005PULS 000 000 IR082LD 00014OR 00015OR 10106AND NOT 00002OUT 10106LD 00002AND TIM001TIM 001 #0030LD TIM001AND NOT 00014AND 08000AND NOT 08001AND 25314OUT 10003横滑板进给垂直滑板进给开始工作循环完成延时85868788899091