毕业设计（论文）-专用数控刻线机机构设计

专用数控刻线机机构设计Mechanismdesignofspecialncmarkingmachine专用数控刻线机机构设计Mechanismdesignofspecialncmarkingmachine摘要近年来，国家在工业生产环节中对于生产过程对于环境的保护要求越来越严格，使得许多传统的加工方法在环境保护方面不满足要求，需要技术创新。而企业内使用的刻线机还没有实现自动化、低污染。由于当时设计设计时电气技术的不成熟，在使用多年后电气故障频出且检修频繁，难以满足现代公司对于其生产加工要求。为了解决上述问题并实现自动化控制，本设计采用可编程控制方法解决上述问题。本文通过研究了专用刻线机，设计了刻线机机械机构，并且通过对PLC机床控制有关资料进行分析、学习，提出通过PLC控制刻线机部件实现刻线机自动控制。这对于实现机床自动化，控制公司生产成本，在现有的资源下使得资源利用可以得到最大的利益，对于需要刻线机的公司有重要的现实意义。本设计在通过对于平尺刻线机及PLC控制机床原理经行深入分析，完成了专用数控刻线机机构的设计及PLC控制部分。PLC控制设计其移动精度在0.001μm，刻线全程累积误差小于±0.05mm，满足设计任务要求。关键词:刻线机构；PLC控制；移动工作台

AbstractInrecentyears,thestate’srequirementsforenvironmentalprotectionintheproductionprocesshavebecomemorestringentinindustrialproduction,makingmanytraditionalprocessingmethodsfailtomeetenvironmentalprotectionrequirementsandrequiretechnologicalinnovation.However,thescribingmachineusedintheenterprisehasnotyetachievedautomationandlowpollution.Duetotheimmatureelectricaltechnologyatthetimeofdesignanddesign,aftermanyyearsofuse,electricalfailuresoccurredfrequentlyandwereoverhauledfrequently,makingitdifficultformoderncompaniestomeettheirproductionandprocessingrequirements.Inordertosolvetheaboveproblemsandachieveautomaticcontrol,thisdesignusesprogrammablecontrolmethodstosolvetheaboveproblems.Inthispaper,throughthestudyofthespeciallineengravingmachine,thedesignofthemechanicalmechanismofthelineengravingmachine,andthroughthePLCmachinetoolcontroloftherelevantdataforanalysis,learning,putforwardthroughthePLCcontrolofthelineengravingmachinepartstoachieveautomaticcontrolofthelineengravingmachine.Thisisofgreatpracticalsignificancetorealizemachinetoolautomation,controltheproductioncostofthecompany,andmaximizethebenefitsofresourceutilizationundertheexistingresources.ThisdesignisthroughthelineoftheprincipleofthehorizontalrulerlinecutterandPLCcontrolmachinetoolin-depthanalysis,completethedesignofthespecialCNClinecuttermechanismandPLCcontrolpart.ThemovementaccuracyofthePLCcontroldesignis0.001feetm,andthecumulativeerrorofthewholelineengravingprocessislessthan±0.05mm,whichmeetstherequirementsofthedesigntask.Keywords：Scribedlineorganization；PLCcontrol；movingtable目录TOC\o"1-2"\h\z\u第一章绪论 第一章绪论1.1课题的背景和意义我国提出的中国制造2025中明确指出，制造业是我国的支柱性产业，而要提高制造业生产基础，首先要提高技术基础使数控技术实现自动化、一体化满足现代工业的要求，同时也为了提高我国劳动生产率以及生产产品质量。因此我国新阶段注重实现数控机床的控制技术，使其尽快实现经济型、自动化。这对于实现我国中国制造2025，提高我国数控机床在生产中的加工效率有重要意义。[1]由于近年来我国对于数控机床行业的重视。使得我国数控方面发展迅速。但是数控机床在精度方面与发达国家相比还是具有很大差距，如美国、德国等发达国家。我国数控机床除了在精度方面有所差距外，在机床功能部件的性能也有所差距。机床基础设施与发达国家的差距，也影响国内数控机床在生产产品时的加工精度、质量，同时对于机床的动、静态性能也有一定影响。目前，机床的基本结构设计大多是基于经验设计或类比法。随着机床向高速、高精度方向发展，传统的数控机床已不能满足高精度、轻量化的要求。为了满足现代工业对数控机床的要求，数控系统的由于需求而产生。前期控制主要是由继电器和接触器进行组合控制，PLC(ProgrammableLogicController)控制系统是以此为基础发展而成。最近几年，由于微机处理芯片及相关元器件价格大幅下跌，同时，PLC功能得到了很大的发展，使得PLC的应用范围迅速扩大。[2]目前，PLC在工业领域得到了广泛的应用。PLC由于其自身的特点使得在数控方面也有了极大的发展，目前，根据工程实践需要，数控技术应该积极发展开放式数控系统。以PLC控制机构，利用软件控制PLC，实现其功能。[3]1.2刻线机国内外研究现状1.2.1国内研究现状1952年，我国在苏联的帮助下建立了哈尔滨量具厂，第一台用于游标卡尺刻线的机床也是从苏联引进。[4]测量工具的刻线主要由刻线机完成。由于测量工具的特殊性，要求刻线机的精度必须满足使用条件。在早期由于技术原因刻线机采用纯机械控制，刻线机以机械传动来保证工作中的精度。在工作中，其移动工作台由丝杠配合电机来进行移动控制。螺纹传动丝杠移动一个单位，机械传动装置带动刀具机构，刻刀随着刀具机构移动完成尺身刻线。由于刻线机为纯机械式结构，其刻线的精度取决于主轴传动丝和主要零部件的精度，为了保持其加工精度。所以要求其主轴传动丝杠及其零部件精度要求极高，导致主轴传动丝杠及其零部件加工难度增大，由于，其传动装置采用纯机械传动，导致其刻线速度较慢，而刻线方式属于刀具与工件直接接触式加工。由于磨损原因，刀具在长时间刻线后会造成其宽刻线宽度不一致。为了解决这一问题，刻线机厂家将激光标刻技术应用于刻线机，采用激光刻线，避免了刀具与工件接触，解决了刀具接触工件加工的磨损问题，使得刻线精度得到极大的提升。其以前由于刀具磨损，导致的刻线不均匀得到了完全了解决。在近年来，由于数控技术的进入，使得我国机床逐渐进入数控化，国内厂家通过与国外著名刻线机厂家的合作，从而实现新技术引进，并对于国外的样机进行消化吸收，从而使得我国刻线机现在的种类及其质量得到了全面提升，也进入了我国的机床数控技术时代。1.2.2国外研究现状、第一台数控机床诞生于1952年，它是帕森斯有限公司联合世界名校麻省理工发明。这个时间也代表着数控机床诞生。但是由于当时的技术问题。该数控机床的控制装置结构复杂，控制装置由脉冲倍增器内插，可靠性低且使用不便、维修造价昂贵。因此，在前期数控系统并没有得到大范围的是使用及在制造业的生产加工也没有得到极大提高。在数控机床诞生初期，第一代采用了电子管完成了数控系统，但其造价高、使用寿命短并没有大范围得到使用，随着技术的发展集成电路开始在数控系统中得到应用，而计算机技术为数控系统带来了腾飞，使得数控系统更新极快。现阶段，国外刻线机大部分是采用PLC控制，数控系统采用现代的微处理数控系统。现代激光刻线机为了在满足使用条件的前提下，尽可能的节约空间，设计时采用传动齿轮直径减小，轴之间的距离也缩短，在节约机构空间的同时使得机器效率得到保持。1.3可编程逻辑控制器的产生和发展1969年PLC诞生到现在短短51年，但是PLC发展却十分迅速并且应用技术也十分广泛。PLC通过三段发展历程，形成了现阶段的微电子处理。[7]1.PLC初期PLC技术来源于传统的继电器控制(EZLC)。继电控制系统在初期不仅仅体积巨大，在实际工作中可靠性也达不到人们的要求，产生故障难以发现和排除、接线复杂、零件更换麻烦，在使用过程中对于生产变化难以适应。1969年，由于微电子领域和计算机领域的高速发展，世界上第一台可编程控制器诞生，美国DEC公司将它命名为PDP-14，公司在PDP-14通过测试后投入到通用汽车的自动装配线，运行效果良好。早期的PLC解决了继电器体积以及可靠性等问题，而且在实际使用中相比继电器安装更加方便，PLC能耗相对更低、可重复使用，基于这些优点，使得早期PLC优于继电器。但在控制方面早期PLC功能相对简单只能满足逻辑控制、定时、计数等基本功能。而梯形图语言是PLC从初期就开始使用一直到今天。2.PLC的中期发展时代20世纪70年代初期微处理器诞生，在70年代中期人们将其应用到PLC，由于微处理器的应用，PLC在基础控制功能上添加了算术运算、数据传输、处理等功能。随着控制功能的增加为了满足控制要求，对于PLC硬件也有所发展增加了模拟模块、I/O模块，同时对于储存量方面也有所提升。PLC还新增了数据寄存器，这些改变使得其应用范围与初期PLC相比更加广阔。3.PLC现状随着现代计算机技术的发展，PLC在其发展的基础上，也得到了一定的提升，主要提升体现在微处理器方面，技术是提升使得PLC无论是软件还是硬件都有不同改变。目前，可以发现最新的64位微处理器也应用于大型PLC，现代PLC与初期相比不仅仅是在控制能力方面有所提升，对于PLC的功能也得到了极大的发展。相比于前期PLC，采用微处理器控制的PLC无论是可靠性、功耗、体积都有所降低，其经济性更加实用。[10]同时，更具有数据处理和图像显示功能，PLC也新增了逻辑控制、过程控制、运动控制等功能。使得PLC应用范围更加广阔，可靠性也得到了极大的提升。[11]1.3.1编程逻辑控制器的特点PLC经过近50年的发展，其功能不断增强，逐渐呈现出以下几个方面的特点[6-14]1.可靠性高，抗干扰能力强在控制工程中，干扰一直是控制工程的难点。PLC为了提高其抗干扰能力，在硬件和软件上都积极地采取了各种办法来进行提高PLC的抗干扰能力。同时，增加了PLC的自我诊断功能，能及时对于故障信息给予返馈，并且停止运动，等待维修。2.通用性强，控制程序可变，使用方便硬件:PLC经过发展系列齐全，对于工业使用来说能够满足大部分客户需要。软件程序:PLC软件可以根据要求不同而编写符合自身要求的程序，实际使用中只要硬件符合生产线，在PLC软件改变后，不需要对相应机构进行改变，对于流程改变来说，也仅仅只有编写符合要求的程序就可以了。基于这种特点PLC，除了单片控制的应用以外，在其工厂中的自动化控制生产线中也得到了广泛应用。3.功能强，适应面广现代PLC不仅具有传统功能，而且在传统功能的基础上新增通讯、人机对话、自检等新功能。现代PLC加强的不仅仅是通讯及自检方面的功能，在控制方面也有了很大的进步，在控制中不在是以前的点对点控制，现在可以通过PLC对于整个加工环节进行控制。而且PLC随着计算机以及微电子技术的发展，PLC应用范围相信会越来越广泛。4.编程简单，容易掌握初期PLC的编程语言为梯形图编程。这种编程语言可以清晰直观的表达控制电路。而且初期PLC即为梯形图语言控制，同时梯形图直观清晰。因此大数电气工人的阅读习惯和编程都采用梯形图编程。所以梯形图是大多数PLC用户使用的编程语言，同时，梯形图与传统继电器控制电路原理图非常相似，方便用户容易学习和掌握。但PLC梯形图在实际运行中，首先使用内部解释器将其转换为汇编语言，然后再进行执行项目，由此可以发现其执行时间相比与汇编语言有所延迟。但是对于大多数控制设备来说这点时间，对于使用来说其影响可以忽略不计。5.减少了控制系统的设计及施工的工作量PLC在发展中为了满足多变的工作环境，对于硬件进行了不断的改变，在后期用软件编程代替了一部分硬件，使得现在PLC相比以前整体安装更为简单、不需要太多的线路，而软件编程可以按照要求编写，节约了大量的成本。同时，可以在明确控制要求后，进行搭建模拟，对于出现故障后，采用计算机处理，并且对于PLC程序进行仿真和调试，节约现场时间。现代PLC还具有安装方便、可靠性高、监控力强及模块化设计使得其应用范围广泛。6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC由于微电子技术的应用，PLC控制器结构紧凑、功能多样且功耗低等特点。与传统继电器相比PLC是理想的控制装置。以西门子s7-200cpu211为例，其外形尺寸90×80×62mm，数控储存器2048字节。同时，为了更好的满足工业生产应用，s7-200系列含有多种类型的扩展模块。1.3.2PLC在数控系统上的应用PLC的出现和应用,显示出巨大的技术和经济效益,引起了各个国家的注意,国家开始重视对于PLC的研究和开发。PLC基于这种条件下，其设备的型号以及系列发展迅速，应用范围扩大到包括机床在内的各个工业领域。[15]在20世纪70年代，数控机床中的自动化控制开始采用PLC控制。到20世纪80年代，高性能数控机床中都已出现PLC的身影。目前，现代控制系统中PLC已经成为了必备的控制装置之一。而在数控机床中PLC按照类型可以独立式PLC和镶嵌式PLC也可以叫内装式PLC。内装式PLC是数控系统厂家为数控机床制造设计的PLC与数控系统为一体。1.内装型PLC内置的PLC实际上是一个具有PLC功能的数控设备，它存在于数控系统内部，不能与数控系统分开独立完成控制要求。[17]内置PLC的性能指标(如I/O点,程序执行的最大数量的步骤,每一步的执行时间,程序扫描时间、功能指令的数量等等)是由规格、性能都与数控机床相匹配的系统处理。内装型PLC其软件与硬件是一体，内装型PLC是完成数控系统的基本硬件。内装型PLC与独立型相比较它的结构更加紧凑。PLC功能与机床更加匹配，技术指标可以达到较高的要求。而内置型PLC多用于加工中心。内置PLC隶属于数控设备，具有以下特点:内置型PLC在系统结构上有两种模式，内置型PLC单独使用一个

CPU，第二个种内置的PLC与宇数控系统共同使用一个CPU，内置PLC一般是由一块附加电路附加在数控主板上。采用数控系统的I/O接口。用于PLC控制部分和电路部分的电源(一般为输入电源，配置输出电源)由数控设备提供，不提供附加电源。PLC内置PLC结构，数控系统可以有一些先进的PLC控制功能，比如梯形图显示编辑及状态监控功能。目前，世界上的数控制造商在自己生产的数控系统中，大部分都开发了内置的PLC功能。例如三菱的A700系列、丹佛斯、富士的VG7、西门子的Sinumerik820/820;AB公司的8200、8400、8500等国内华中数控和广州数控也有相应的内置PLC。与国外的嵌入式PLC相比，国内的嵌入式PLC技术仍有相当大的差距。2.独立型PLC独立型PLC是与数控装置相互独立的一套PLC系统，具有独立的软件和硬件能够凭借自身完成控制任务。独立型PLC相比与内置型PLC具有以下特点：独立PLC的基本功能结构与内置PLC完全相同。数控机床如果采用独立PLC，一般型号选用中型或者大型。同时根据工作需要I/O点数一般选择200左右，独立PLC使用安装方便，便于扩展可以通过可以通过输入输出模块，按照实际需求添加配置。为了实现大规模集中控制，一些独立PLC可以通过网络端输入/输出通过独立PLC内置的连接器进而控制PLC。实现集中控制。[18]通过分析独立PLC和内置PLC的优缺点，发现数控内置PLC的优点比独立PLC更加突出，更容易实现数控系统对于控制功能的要求。因此，本文打算采用的数控系统的PLC也选择为嵌入式PLC。1.4课题的目的和研究意义装备产业发展程度与国民经济的水平有着很大的关系，装备产业的发展在一定情况下可以反映出国民经济的水平。而数控机床作为装备产业发展的最基础设备，其数控机床的技术含量、加工水平、机床数量已经成为衡量国家装备产业现代化发展水平的重要指标之一。由于技术原因我国的高精度数控机床，大部分采用进口的方式引进国内进行产品生产。世界机床出口有五分之一是进入我国市场。我国是机床的主要消费国和进口国。PLC作为数控机床的重要设备之一，其发展水平同时也影响着数控机床的技术、加工精度。因此，我国应该重视PLC在机床方面的应用，PLC控制在对于我国发展制造业，提高国内机床数控系统有着不可或缺的作用。第二章刻线机机械机构设计与搭建2.1总体设计方案按照任务书要求，其专用刻线机采用PLC控制，机床加工零件长度不超过800mm，宽度不超过50mm,工件厚度为1mm，刻线机工作中每格最大误差：±0.01mm。刻线全程误差：±0.05mm，本章设计出刻线机机构部分。2.1.1刻线机刀具选择本论文设计的专业数控刻线机要想保证刻线精度，其刀具必须满足精度要求，而对于刀具性能、特点及保持精度至关重要的刀具材料来必须充分考虑其使用条件。本次设计的专用刻线机构，其刀具与工件是接触式加工。为了避免由于刀具磨损，而引起刻线误差，同时，避免经常更换刀具影响加工进度，本次刀具材料选用天然单晶金刚石。天然金刚石加工刀具可达到0.002——0.008μm。刀具经经过精细研磨。能够实现超薄加工，使用天然金刚石加工，工件精度极高，表面粗糙度极低，在加工刀具中被认定为理想的超精密加工刀具。有色金属刀具在加工方面与天然金刚石刀具相比有色金属刀具摩擦系数大，而摩擦系数大会导致加工时工件发生一定变形（变形与摩擦系数成正相关），工件变形引起刀具切削力增加。采用天然金刚石刀具可以有效避免以上问题。2.1.2刻线机传动系统设计刀具上下进给运动采用步进电机驱动，转速太低会造成强烈的震动，转速太高会容易丢拍，所以步进电机转速一般在300-600r/min，本文设计初步将此步进电机转速设为400r/min，步进电机出来后需经过联轴器传动，再通过减速将速度降到合理使刀具上下运动。本文的减速方案为：采用直齿轮进行减速传动，考虑到工作效率及直齿轮减速传动比要求，设计齿轮减速的传动比为20，考虑到降低噪声和振动及提高平稳性，高速齿轮传动比i1设计为5，减速齿轮传动比i2设计为本文采用凸轮机构将回转运动转换为刀具的上下直线运动。初步设计如下：在0°-20°为推程，位移由0增加到5mm，作为刀具的上升运动，由于刀具的抬刀无需加工，故设计的时间较短提高效率，为了避免加工中产生刚性冲击与柔性冲击，设计凸轮时其从动件运动设计其运动规律为无冲击正弦加速度（摆线）；20°-100°为停止阶段，此时间段为工作台动作；100°-180°为回程阶段，位移从5mm将为0，此过程为刀具的下降过程，考虑到进刀时与工件接触，故时间设计的长一些，同样，为避免刚性冲击与柔性冲击，此过程的运动规律为摆线-直线-摆线运动，这样既可以避免刚性冲击与柔性冲击，又可使进刀过程保持相对平稳，最后180°-360°为停止阶段，此时间段为工作台运动，工作台带动工件先对刀具运动，完成划线动作，此过程的时间为刀具上下运动周期的一半，来使划线动作保持平稳。按以上设计的凸轮运动曲线如图1所示。图SEQ图\*ARABIC1凸轮运动曲线2.1.3刻线机电机的选择刀具的上升运动中，刀具采用天然金刚石，其他零件采用普通碳钢材料，本文建模后刀具上升运动部件的质量为3.01千克，故在计算保持转矩时初步按此质量计算，电机初步转速按400r/min计算，齿轮传动比为20，故凸轮转速为20r/min即周期为3s，刀具的上升过程为凸轮整周的20°可计算上升的时间为T=20°360°×3s=160图SEQ图\*ARABIC2凸轮上升压力角根据此前设计的凸轮，测量出上升时的压力角如图2所示，凸轮上升时压力角α为27.49°，故传动角γ为62.51°，直齿圆柱齿轮传动效率采用η齿=0.97，轴承传动效率采用η轴承=0.98，联轴器传动效率采用η联=0.98，安全系数SP则电机的保持转矩为：T=根据此条件，本文初步选用型号为60BYG350CLS-SASSML-0562的三相60系列混合式步进电机，此电机步距角为1.2°，保持转矩为0.9N∙m。2.2工作台的设计方案辅助定位监测刻线机工作台设计，根据设计要求主要由PLC模块、辅助定位装置、伺服电机驱动及工作台本体组成。如图2-1所示辅助定位监测工作台X工作台XY辅轴轴助运运定动动位机机机构构构PLC模块L伺服电机驱动1、伺服电机驱动图2-1工作主要组成机构PC端发送程序指令到PLC，PLC接受指令经过ＣＰＵ运算和逻辑处理等操作后控制系统按照指令控制工作台移动完成相应指令。1、伺服驱动系统及辅助定位装置伺服驱动系统由伺服电机提供动力，驱动电路配合PLC完成驱动系统，工作台工作定位采用传感器辅助定位。2、机床的机械本体机床的机械本体主要包括:驱动系统部件、机床支撑部件及辅助PLC控制系统的辅助定位部件。2.2.1工作台驱动系统结构对于工作台驱动系统，在满足刻线要求的前提下，应该尽量使得其控制简单，初步设想采用丝杠完成移动任务，同时，考虑到加工实际，通过适当延长来使得其有足够的移动距离，在工作中不会发生碰撞。为了能够满足刻线驱动要求在驱动系统结构中采用伺服电机，并且按照编码器通过PLC模块控制伺服电机来调整到所需的位置，实现模块的组合。[26]如图2-2所示图2-2所示工作台进给结构刻线机精度主要由刀具及工作台决定，在加工中主要通过控制工作台完成刻线，对于刻线的长短取决于工作台的精度。而工作台为了满足对于刻线长度及加工长度的要求，工作台为双自由度。对于工作台位置通过编码器及限位开关来进行控制。通过控制可以实现精确刻线，并且不会发生零件碰撞。但是，为了达到精度要求，工作台主要零件特别是丝杠要求精度必要满足。2.2.2工作台的结构设计工作台由夹紧装置安装在梁上,满足的实现两个自由度运动,结构紧凑的设计原则以及小型简单的整体模型,工作台将使用叠加结构形式,以降低工作台的总体规模。[27]工作台采用双层设计，移动机构设计为导轨与丝杠传动组合，它们垂直固定，分别实现X方向和Y方向的进给运动。上层为固定平台，下层为固定安装。为了在满足工作要求的同时使工作台整体结构紧凑，设计如图2-3所示。工作台安装在第一底座，而第一底座可由于第二底座通过滚珠丝杠驱动进行移动。固定横辊导轨和上工作台安装在其上，实现X/Y进给。直线运动在两个方向都是由滚珠丝杠驱动滑动螺旋副。工作台面第一底座限位开关工作台面第一底座限位开关第二底座丝杠螺母机构伺服电机第二底座丝杠螺母机构伺服电机图2-3工作台结构如图2-3导轨组合。下层丝杠直接通过固定端座固定于基座上，工作台下有螺母座用于安装驱动螺母。导轨采用螺栓固定，为了实现X／Y方向移动，导轨分别安装在下层基座与上层基座并都采用螺栓固定。根据行程要求，确定螺母座与两侧导轨的相对初始位置。伺服电机的电主轴通过联轴器与丝杠的固定端连接，伺服电机带动丝杠转动，工作台通过滑动螺杆带动驱动螺母完成直线运动，并且通过分别固定在底座和工作台上的导轨的相对滑动运动，以完成驱动工作台进行直线运动。2.2.3工作台质量初步估计以及力计算根据工作最大值设定移动行程，用solidworks画出工作台与底平台三维模型如图2-4所示图2-4工作台与底平台三维模型指定安装负载的工作台材料为45钢，底平台材料为HT200，得出其质量分别为11658.16g，22051.71g。1下层平台主力计算下层平台承受的力来自载荷以及上层结构的总重量。上层平台重量与工作台质量之和：22051.71+11658.16=33709.87g除了两个平台之外还有其他零部件，按1.5倍估计，上层结构的总体质量为1.5*33709.87=50564.805g根据工作需要，负载体积为40000立方毫米，刻线机刻线材料按照铁镍合金计算，而铁镍合金的密度根据含镍量的不同而不同,根据不同的含镍量,铁镍合金的密度在7.86~8.902克/立方厘米之间.按照计算，其质量在314~356克，为了安全性，负载质量设计按照1000克，所以X方向阻力：F其中摩擦因数通过查阅滚动导轨选型手册为0.003,故：FfX2上层平台力计算上层平台主要承受工作台重量以及载荷。11658.16×1故Y向总阻力：FfY2.3工作台导轨及丝杠螺母的选型2.3.1导轨的特点、结构及选型依据移动工作台的机床导轨的功能主要是导向以及辅助支撑两个作用是。导轨与滑动组合辅助工作台完成控制系统运动。按照其作用不同,可分为支撑导轨和运动导轨。导轨是机床移动中的重要部件之一,在很大的程度上保证了机床移动与加工时的精度。而且随着机床产业的高速发展，其现代加工对机床精度要求更高。这方同时也会导致机床对于导轨的要求提高，导轨各项性能都要到达更高的技术指标，从而保证机床更高的加工精度。1.直线导轨的特点现代机床采用最多的导轨被分为三类导轨。其中滚动导轨相比滑动导轨、静压导轨更加应用广泛。主要是滚动导轨自身优良的特性。滚动导轨可以适应机床加工中的高速直线运动，在运动时摩擦因数小、运动灵敏度高，而且滚动导轨运动是无间隙运动。在使用导轨时采用成对导轨副时可以使得误差均化，降低对于导轨安装面精度要求，可以有效降低机械制造成本。2.直线导轨选型依据及其结构（1）计算负荷大小根据图所示的使用条件，计算滑块载荷（vmax=0.1mm/s，设加减速时间1s）mg4=负载质量块为长方体，其长为800mm,宽为50mm,厚度为1mma=10003m故：mαl2m故Pmax=186+128.83=314.83N选择THK的SHS-C型直线导轨，其基本动额定载荷为14.2kN，基本静额定载荷24.2kN。静态安全系数：f故可以满足要求。（2）直线导轨结构静音型-THK直线导轨如图3

，为了减少导轨在直线运动中的摩擦系数，LM滑块和LM导轨中有经过精密研磨加工而成的滚动面。在滚动面中安装钢球。钢球在钢球保持器与组装滑块中。导轨做直线运动时，使钢球做循环运动。THK滑块。由于其设计原因在受力时其四个作用方向所受到的荷载力均相同。主要原因是钢球在设计时，是按照45°接触配置，并且由于受到的荷载力均相同，在运动时，可以达到降低摩擦系数、加强作用方向刚度。为了保证导轨在运动是保持稳定、高精度，SHS滑块采用了高刚性设计。图3静音型-THK直线导轨2.3.2滚珠丝杠计算和选择初选THK的预压型滚珠丝杠，公称直径20mm，导程5mm。型号为SBN2005-5。1.导程与轴向间隙由选型手册查得：该型滚珠丝杠的导程精度为4μm，轴向间隙0（G0级）。总误差为4+0=4μm。2.丝杠强度与极限转速考虑到载荷不大，温度变化小，且两端固定能够施加一定预压消除间隙，减少轴向误差，所以滚珠丝杠采用两端固定的方式进行安装。丝杠的挫曲载荷：P1=0.5丝杠的容许拉伸压缩负荷：P2=σπ4通过查图知：当安装间距取460mm，两端固定时，其容许轴向载荷约为6kN。丝杠的极限转速：N1=λ丝杠的许用转速：N2=130000根据vmax=0.1m/s求丝杠转速：N=60×1易见N＜N2，转速满足要求。X、Y方向的载荷均由丝杠螺母承受。有此前的计算结果知道，该载荷远小于容许轴向载荷。综上，丝杠的强度与转速能够满足要求。3.刚度根据选型手册：&δ=其中:δ——当采用两端固定的安装方式时：KS由选型手册查得所选丝杠轴的轴向刚性为370N/μm，基本额定静载荷16.2kN，基本额定动载荷10.3kN。施加的预压力为基本额定动载荷的10%，即1.03kN。此时根据说明：K轴承刚度：&故：Q=所以K=(149.97+故：δ=52.2337.42=1.40综上所述，由于丝杠螺母副的机械精度造成的误差为4+1.4=5.4μm＜50/3故丝杠螺母副满足精度要求。2.4电机的计算和选择2.4.1等效转动惯量的计算对于X-Y二维平台，底层丝杠的回转带动上层结构沿X方向运动，最大速度为0.1m/s。所以有：J=其中：J——Jmv——ω——所以：J=54.63933+44.56×(1001200×最大角加速度为α2π60×1max最大转矩为M=Jα=82.858×10-要求底层电机的扭矩为T=10.4N·mm。功率为：P=2πTn查阅选型手册，选用科尔摩根的AKM24F直流伺服电机。其额定功率为0.42kW，额定转速为3000min-1，扭矩1.33N·m，可以满足要求。为方便起见，上层电机同样选用该种型号电机。2.5编码器的计算与选择要求定位精度达到0.05mm，根据丝杠的导程计算编码器精度：a=即：编码器的精度达到1.2°能够满足要求。根据此指标，选择海德汉的ERO1470增量式旋转编码器，其技术参数如图所示。第三章伺服系统、模拟量的PLC控制3.1伺服电机的定位运动控制3.1.1定位的概述图3.1机器返回原点操作示意图图3.2JOG操作示意图1.执行ORG指令时，电机启动移到设备原点位置，当信号发出时，电机减速至低速运行;当检测到源信号时，。当输入电机在原点附近被检测到时，它立即停止。机器原点返回操作如图3.1所示。2.

当按下前进或者后退，电机按照指令进行运动，在没有其他指令的情况下到IlVI指令停止。机器JOG操作如图3.2所示。3.根据定位指令，从启动频率加速到目标频率，然后保持频率持续输出。减速点到达后，开始降低频率输出，降低到起动频率时，输出停止。定位操作如下图所示。图3.3定位操作示意图3.1.2伺服控制系统工作原理AKM24F直流伺服电机共4轴高频脉冲输出，脉冲输出从0开始到3结束，输出频率设定范围为1Hz~0khz，用来完成PLC与驱动器之间的通信。PLC程序将电机的位移、速度值等，通过脉冲输出指令输出到伺服驱动器。伺服驱动器收到脉冲指令后，驱动伺服电机完成指定动作，在运动时编码器将收集电机移动位移并将信息传递到伺服驱动器。[28]3.2控制系统的硬件连接及参数设定根据工作台使用要求及设计特点，设计伺服驱动器控制工作台位置接线图(如图3.4所示)，伺服驱动器驱动接线原理按照图3.5进行连接。[29]将首先MCDHT3_520E伺服驱动X4连接器在3销普尔斯1(“指令脉冲”)及5与+5V进行连接。4管脚PULS2“与PLC输出端发出的输出零点脉冲进行连接。6管脚SIGN2与PLC输出信号端连接接收脉冲输出信号，进过伺服驱动器传递控制工作台按照指令做出相应的移动。设定异常报警，如果工作台工作发生异常，发出脉冲输入I0.5。[30]31引脚A-clr连接PLC输出I0.2.、I0.4，即输出信号I0.2.、I0.4发送到PLC程序中的A-clr引脚，清除伺服驱动器的报警并起到复位作用。伺服驱动器的29个引脚，srv-on控制伺服开，并直接连接到OV。也就是说，一旦伺服驱动启动，伺服驱动将进入启动状态，随时准备接受定位脉冲移动命令。图3.4X4连接器的接线图图3—5伺服驱动器接线图表3.1伺服驱动器参数设置3.3伺服电机的控制设计本设计中，采用PLC控制伺服驱动，按照设定的输入、输出脉冲进行定位、位置移动，X/Y坐标伺服控制系统通过左右脉冲和方向信号，进行工件加工。X/Y坐标伺服系统的驱动机构是滚珠丝杠。Y轴方向的丝杠螺距为5mm，X轴方向的丝杠螺距为10mm，对于工作台移动精度设定为lμｍ由伺服控制驱动，通过设置伺服驱动的电子齿轮传动比和其他参数,使每个伺服系统每接收到一个脉冲驱动工作台就移动lμｍ，在开始工作时，首先进行定位原点搜索，然后PLC对伺服驱动发送脉冲指令驱动伺服电机按照指令进行移动工作。在工作中伺服电机通过联轴器来控制丝杠使得工作台移动到指定的位置并进行移动刻线。这里以位置指令“PLS2”为。指指令作用是将PLC程序中事先设定的脉冲数和工作频率发送到伺服驱动，然后伺服驱动控制伺服电机按照设定数值进行工作:本设计使用的科尔摩根的AKM24F直流伺服电机，旋转编码器为海德汉的ERO1470增量式旋转编码器，本设计中，根据滚珠丝杠的选择，左右、前后伺服设置为每转10,000脉冲。一个脉冲伺服电机接收到一个脉冲带动工作台移动lμｍ。3.4模拟量的PLC控制3.4.1模拟量信号的选择输出信号可以在电流信号或者电压信号中任选其一，串口通信可以选择RS232或RS485。本文以设计简单更实用,不考虑串行通信的方法,同时,考虑到使得传感器与PLC之间有距离，有距离使得如果采用电压信号会得传输信号受到电线电阻的影响，发生误差。因此选择电流信号输出。3.4.2设定字由于本设计使用的PLC主机为CP1h-x40dt-d，主机占用的输入地址为CI00~CIO1(即0.00~0.11,1.00~1.11)，输出地址为CIO100~CIO101(即100.00~100.07,101.00~101.07)。因此，分配给AD041的输入信道地址为CI02~CIO5。设置字如图3.6所示。图3.6设定字说明从设置字描述可以看出，我们只使用模拟输入1，它的最高位为1，最低位为8，用于设置2个通道。因此，需要将模拟输入起始位设置为需要设置为0，输入信号选择为10:4到20mA。然后，通道1的设置其字2其他通道作为备用通道，设置为1010，其余通道不使用，设置为0000。3.4.3PLC设计说明PLC程序在第一次循环时需要设定字节，这是由于模拟输入量模块决定的模拟输入模块必须在设定后才能使用。同时，由于其设定字节，字节的写入时间大约需要0.2秒，所以添加一个定时器用于延续时间。字节写入后，将对模拟量信号进行后续处理操作，本程序设定，将采用D008寄存器作为写入模拟量输入信号的寄存器。在工作中模拟输入量，需要通过寄存器读取，然后输出，根据程序设定完成机构运动以及刻线。3.5PLC控制设计3.5.1I/O的确定与分配考虑到PLC连接现场外部设备特设立开关量输入模块，用于连接现场设备开关信号。并将现场的开关信号转为PLC内部接收的低电压信号，同时根据开关量的输入模块特性，其可以对PLC的内外信号进行电气隔离。[33]按照选择时留下10%~20%的余量，结合实际需要，选择输入口为10个，输出口为7个。同时考虑到在满足使用条件下满足工作要求，CPU模块选用CPU224（14输入/10输出），由于CPU满足工作要求，目前不考虑扩展。[34]按照专用刻线机对于PLC控制要求，通过设计方案，开确定I/O分配，在考虑到需要的控制按钮以及各种需要的辅助装置及开关进而确定了与PLC控制系统相关的设备，最终对PLC的的I/O点数完成确定，并且I/O分配表如下图所示：输入编号名称用途I0.0SB1启动I0.1SP1装卡信号I0.2SQ1上下进给原点I0.3SQ2纵向原点I0.4SQ3横向原点I0.5SB2急停I0.6SQ4工作位置I0.7SQ5纵向停止输出编号名称用途Q0.0KM1上下进给Q0.1KM2纵向运动Q0.2KM3横向划线Q0.3HL2原位指令Q0.4HL1电源3.5.2元件及具体型号的汇总表设计时应该在满足功能要求及操作要求，在保证加工精度的前提下选择经济型的设备，特别是对于PLC相关模块，在满足控制要求的前提下，考虑经济实惠的模块配置，使得专用刻线机成本尽可能的降低，才能使整个控制系统最具性价比。设备代码设备型号设备名称规格件数SBLA19-11按钮2SPDP-25B压力继电器1SQLX5-11限位开关5KM1、KM360BYG350CLS-SASSML-0562步进电机α1.2°T0.9N∙m2KM2AKM24F纵向电机0.42kWT1.33N∙m1HLXD1-6.3A信号灯6.3V33.5.3顺序控制图如图所示，启动后，PLC输出脉冲发出脉冲信号，控制伺服电机驱动工作台移动，同时编码器将位移信号实时反馈给伺服驱动器，固定于刀头一侧的步进电机也控制刀具进行移动。刀头向下移动的距离通过凸轮进行设定，只要将可能活动的区间包含在内即可。伺服电机移动开始后，工作台按照PLC指令，移动到指定位置。

3.5.4硬件接线图

第四章结论与展望4.1结论按照目前趋势PLC将会在数控机床上发挥着越来越重要的作用。本文通过对国内外有关文献的研究，对于数控机床未来发展及PLC在机床实现自动化的影响进行了分析。并且对于PLC数控中的一些问题通过查阅大量文献做出了深入的研究，对于主要发现成果如下：通过对数控机床以及PLC发展有关资料查询分析后，对于PLC在数控机床上的应用研究方向做出以下内容。１、在设计专用刻线机时，通过文献查找以及对于PLC控制系统的研究发现。在实际工程中，PLC控制系统大多采用步进电机，精度并不能满足高精密机床机床要求。2、确定了总体设计方案，为了满足移动工作台要求，PLC控制系统电机采用了伺服电机，相比与步进电机，伺服电机与PLC控制系统配合可以使得控制精度更高。3、采用PLC搭建控制系统相比于选择继电器-接触器，PLC控制系统在控制精度、可靠性及安全等方面都有很强的优势，经过实际工程检验其故障率也小很多。在操作方面与继电器-接触器控制系统相比操作简单，不容易发生误操作，同时还有报警系统，提升了安全性。机床采用PLC控制能够有效提高工件加工速度，在相同的时间内生产更多产品，降低公司生产成本，提高产品利润。通过本次设计，我在伺服系统应用、模拟信号处理等方面更加熟练，并掌握了PLC编程，进一步提高了自己的编程和设计水平。同时，我在设计中也有广泛的其他相关材料，也提醒了我以后要不断的学习，时刻关系专业发展。4.2展望作者认为PLC控制系统，对于机床数控化来说必不可少。其PLC功能的实现及完善是数控系统发展的基础。PLC的发展与未来高端数控机床有着紧密的联系。因此，结合数控系统的特点，进一步开发和完善PLC的功能是今后研究的重点。它主要包括:1.对于与PLC配合的PC端软件进行功能完善，使得PC端软件与工业编程软件进行结合，通过研究它与数控机床的匹配度，提高软件的适应性，进一步扩展功能模块，以满足更多使用的需要。2.对于数控系统语言设定标准语言，使得数控语言在行业内有规范的编程语言。除了梯形图和指令语言，还添加了几种编程语言，以适应更多的编程用户。3.在现代数控机床的工业控制更多是注重加工控制及安全控制。在后期我们应该注重开放人机互动，开发更加人性化、简单化的控制功能。4.为了节约时间提高效率，对于数控机床在线调试要进行不断完善，同时完善故障诊断功能实现更方便的利用PC端软件在数控机床发生故障时进行及时排查。

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