控铣床电气控制系统的设计

控铣床电气控制系统的设计a第1章绪论本绪论主要是从本课题的来源、目的、意义、应解决的主要问题及应到达的技能要求来介绍机电一体化讲授实验系统(数控铣床型)，并且叙述了海内外生长表面以及存在的问题。最后简述了本设计的指导思想。课题的来源随着种种学科的交织生长，原来的纯机器加工已经生长为机电一体化的加工机床，现在随着种种控制技能的日趋完善，机电一体化的加工系统——数控机床已经毫无疑问成为了产业生产的主力装备。一方面，观察表明，我国要成为“世界工场”，需要培训和造就数十万数控技能应用领域的操纵人员、编程人员和维修人员，另一方面，来自机电一体化专业在实践方面对付专门的讲授用的仪器设备的需求，是本课题产生的主要的原因。目的和意义本产物立足于设计一台能够满足各大高等院校对讲授用机电一体化实验系统的需求，用于学生实验所需的数控铣床。主要用于装备高等院校，中等技能专业学校及种种技能学校的机电一体化实验室设备，可用于数控机床，数控编程，数控原理等专业课程的讲授实验与培训。本课题是要求在指导老师的指导下通过查阅相关的内容的资料并进行总体方案的设计(包罗机器总体结构，电气控制系统总体结构和控制软件总体结构设计)进而最终完成适合讲授实验使用的数控铣床。该机床能实现单轴定位及两轴联动联动，从而可以完成对塑料制品的铣、铰等根本的切削运动，并能加工形状简朴的零件。机电一体化系统的简介机电一体化技能的根本观点是指将机器学、电子学、信息处置惩罚和控制及专用软件等今世种种新技能进行综合集成的一种群体技能。机电一体化系统主要有五个组成部门:动力、机构、执行器、盘算机和传感器,组成一个功效完善的柔性自动化系统,其中盘算机、传感器和盘算机软件是机电一体化技能的重要组成要素。机电一体化系统具有结构简朴、功效多、效率高、精度高、能耗低的特点,与传统的机器产物比力,机电一体化产物至少有以下三个优点。(1)原有的机构产物中增加信息处置惩罚装置及相应软件,来替代原有产物的部门机器控制机构,不但提高了自动化水平,并且能大大提高产物质量,同时也低落了生产本钱,提高经济效益。(2)以机电一体化技能为主的新型产物,与原机器产物相比,不但结构简朴,并且功效越发富厚,精度也得到提高。(3)将电子技能、传感器技能、控制技能与机器技能各自的优势结合起来,形成综合性优势,可开发出具有多种功效、智能化的高新技能产物。机电传动概述机电传动就是指以电动机为原动机驱动生产机器的系统之总称。它的目的就是电能转变为机器能，实现生产机器的启动，停止以及速度控制，完成种种生产工艺历程的要求，包管生产历程的正常进行。机电传动控制系统生长愈来愈高。现在机电传动机控制系统由微型利用杆，敏感元件，盘算机，伺服机构和执行机构等部门组成。当利用它时，电传系统立刻将机器行动转变为电信号，经盘算机盘算放大后，通过电机使执行机构行动。电传利用系统的优点是结构比力简朴，体积和重量小，易于安装和维修、利用灵敏度高，无滞后现象。由于可以敷设多条电缆，“生存力”大大增强。但就机电传动而言，它的生长大要上经历了成组拖动，单电机拖动和多电机拖动三阶段。控制期间经过了四阶段：1.打仗器与继电器2.电机放大机控制3.磁放大器，大功率可控水银整流器4.盘算机数字控制CNC。就本次设计而言，系统的驱动部门接纳了步进电机驱动，控制部门接纳比力先进的微机与PLC控制。1.3.2数控加工的概述数控加工，是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺要领，数控机床加工与传统机床加工的工艺规程从总体上说是一致的，但也产生了明显的变革。以下是数控加工的特殊之处：工序会合：数控机床一般带有可以自动换刀的刀架、刀库，换刀历程由步伐控制自动进行，因此，工序比力会合。工序会合带来巨大的经济效益：淘汰机床占地面积，节约厂房。淘汰或没有中间环节(如半制品的中间检测、暂存搬运等)，既省时间又省人力。加工自动化：数控机床加工时，不需人工控制刀具，自动化水平高。带来的利益很明显。对操纵工人的要求低落：一个普通机床的高级工，不是短时间内可以培养的，而一个不需编程的数控加工操纵工人培养时间极短(如数控车工需要一周即可，还会编写简朴的加工步伐)。并且，数控工在数控机床上加工出的零件比普通工在传统机床上加工的零件精度要高，时间要省。低落了工人的劳动强度：数控工人在加工历程中，大部门时间被排斥在加工历程之外，非常省力。产物质量稳定：数控机床的加工自动化，免除了普通机床上工人操纵时所产生的疲劳、粗心、预计等人为误差，提高了产物的一致性。加工效率高：数控机床的自动换刀等使加工历程紧凑，提高了劳动生产率。3．柔性化水平高：传统的通用机床，虽然柔性好，但效率低下；而传统的专机，虽然效率很高，但对零件的适应性很差，刚性大，柔性差，很难适应市场经济下的猛烈竞争带来的产物频繁改型。只要改变步伐，就可以在数控机床上加工新的零件，且又能自动化操纵，柔性好，效率高，因此数控机床能很好适应市场竞争。4.加工能力强：数控机床能精确加工种种轮廓，而有些轮廓在普通机床上无法加工。数控机床特别适合以下场所：a)不许报废的零件。b)新产物研制。c)急需件的加工。1.3.3数控加工的设备数控加工所使用的主要设备---数控机床是信息技能与机器制造技能相结合的产物，代表了现代底子机器的技能水平与生长趋势。数控机床具有以下明显特点：适合于庞大异形零件的加工。实现盘算机控制，排除人为误差。通过盘算机软件可以实现精度赔偿和优化控制。加工中心、车削中心、磨削中心、电加工中心等带有刀具库并具有换刀功效，从而淘汰了人工装夹的次数，提高了加工精度。数控机床使机器加工设备增加了柔性化的特点。柔性加工不但适合于多品种、中小批量生产也适合于大批量生产，且能瓜代完成两种或更多种差别零件的加工，增加了自动变更工件的功效，可实现夜间无人看管的操纵。由几台数控机床(加工中心)组成的柔性制造系统(FMS)具有更高柔性的自动化制造系统，包罗加工、装配和查验等环节。数控机床可分别为三个条理：高等型数控机床：是指可以进行庞大形状的加工，具有多轴控制或工序会合、自动化水平高、高度柔性的数控机床。普及型数控机床：具有人机对话功效，应用较广，代价适中，通常称之为全功效数控机床。经济型数控机床：结构简朴，精度中等，但代价自制，仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简朴的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件。选用数控机床需遵循的原则是：实用性：是指明确数控机床来解决生产中的哪一个或哪几个问题。经济性：是指所选用的数控机床在满足加工要求的条件下，所支付的代价是最经济的大概是较为公道的。可操纵性：用户选用的数控机床要与本企业的操纵和维修水平相适应。稳定可靠性：是指机床自己的质量，选择名牌产物能包管数控机床事情时的稳定和可靠。PLC(可编程逻辑控制器)生长的现状及生长的趋势PLC生长到现在共经历了四代。现在的PLC接纳16位以上的微处置惩罚器作为CPU外，内存容量更大，还可以将打胎PLC连接起来，实现资源共享;还可以直接用于一些范围较大的庞大控制系统；酿成语言除了可使用传统的梯形图、流程图等还可以使用高级语言；外设多样化，可以配置CRT和打印机等。目前海内外用于这方面控制系统的PLC主要是由几大主要生产商提供的。即：Siemens(GER),GE(U.S),Rockwell(U.S),MitsubishiJap),OmronJap)这几家主要的PLC供给商占据了PLC市场的75%~80%。现在的主要的PLC的厂商都会合在日本和美国等发达国度，海内生产和制造PLC的工艺技能都还落后于这些国度。其生长的趋势是：1、人机界面越发友好PLC制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或生长软件财产，大大提高了其软件水平，多数PLC品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护低落了本钱，使更易形成人机友好的控制系统，目前，PLC+网络+IPC+CRT的模式被遍及应用。2、网络通讯能力大大增强PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的底子上，逐渐增加了种种通讯接口，并且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技能生长很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技能及以太网技能也同步生长。3、开放性和互操纵性大大生长PLC在生长历程中，各PLC制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄盘据的局面，各自生长自己的尺度，兼容性很差，这给用户使用带来未便，并增加了维护本钱。开放是生长的趋势，这已被各厂商所认识。4、PLC的功效进一步增强，应用范畴越来越遍及PLC的网络能力、模拟量处置惩罚能力、运算速度、内存、庞大运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于历程控制方面，有人统计，除石化历程等个体领域，PLC均有乐成能应用，PLC在相当多的应用取代了昂贵的DCS，从而使原来PLC（顺序控制）+DCS（历程控制）的模式酿成PLC+IPC模式。5、产业以太网的生长对PLC有重要影响以太网应用非常遍及，与产业网络相比，其本钱非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。目前的挑战在于1）硬件上如符合应产业恶劣情况；2）通讯机制如何提高其可靠。以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一历程，各PLC厂商纷纷推出适应以太网的产物或中间产物。从PLC的生长趋势来看，PLC控制技能将成为今后产业自动化的主要手段。在未来的产业生产中，PLC技能、呆板人技能、核CAD/CAM技能将成为实现产业生产自动化的三大支柱。1.4海内外动态海内研究的状况近十几年来，我国各级政府在产业控制盘算机及其系统，可编步伐逻辑控制器（PLC）、数控系统、产业呆板人等技能和财产都曾列入重点生长筹划，各项都有上千万元的投资，但真正能形成范围性产物生产的财产却寥寥无几，在海内市场的占有率不敷10％。跟踪研究外洋先进技能的生长、加大市场调研力度是高新技能财产开发中的一个严肃的课题，不能不引起各条理决策者重视和积极支持。外资企业进入我国市场时，在市场调研方面的资金投入是惊人的重视。相比之下，我国各级政府、各企事业特别是国营企业在跟踪研究和市场调研方面的投入却重视得不敷。同时机电一体化技能涉及的领域遍及，不可能全面生长。就可编步伐逻辑控制器（PLC）而论，80年代末90年代初我国有三十多家企事业单位小批量生产中低档产物系列。面对年需求量十几万台整机产物的庞大市场需求，大多数海内的企事业单位都未能越过外洋大型企业的竞争壁垒，没有一家企业能到达范围性财产，纷纷退出竞争，外洋企业险些把持了市场。数控机床是干系到国度战略职位和体现国度综合国力水平的重要底子性财产。在整个机床行业不景气的时期，数控机床的生长一枝独秀，最近几年，我国数控机床无论在产量、品种照旧在高等机床的生产方面生长很快。自1999年以来，机床行业出现了止滑回升的好势头，尤其是随着数控机床产物的开发，质量和品质可靠性的提高所取得的显著成效，增长较快。2003年数控机床出口额同比增长了15.87%。数控机床已经成为了今世机器行业的主流装备。如海内的北京第一机床厂就与大连理工大学等高校互助生产出XK4860五坐标数控螺旋桨铣床等海内领先的数控机床。但随着我国经济的快速生长，数控机床生产远满足不了市场需求，国产数控机床仅占我国总消费额的50%左右。台湾、日本成为我国大陆数控机床进口的主要来源地。外洋研究的状况目前国际先进制造业不停改进自动控制系统、提高传统制造业的技能水平和市场竞争力；机电一体化财产结构不停调解，各行业不停融合，数控技能趋于模块化、网络化、多媒体和智能化。现场总线是当前自动化控制与仪器仪表领域技能生长的第一热点。电力电子技能成为改革传统财产的底子，它拓宽了微电子技能的应用领域，为机电一体化、新能源技能、核技能、航天技能、超导应用、激光装置、生物工程、新质料技能提供了高性能、高精度、高效率和高质量小型的电控设备和电源设备，成为生长高新技能的底子。产业发达国度应用机电一体化技能已十分遍及，不但在单机产物中占有重要位置，并且在生产制造系统内也十分活泼。例如，盘算机集成制造系统（CIMS）、快速成型制造系统（RPM）、智能制造系统（IMS）等。机电一体化产物模块化的生长促进了新产物的开发，品种不停增多，格式不停翻新，缩短了开发周期。以驱动为焦点的驱动模块单位（简称D）,以伺服为焦点的运动控制模块单位（简称M）,以二根导线把各功效单位连接起来的总线或现场总线等，已形成了尺度化的产物。智能制造技能是21世纪机电一体化技能的重点生长领域。所谓智能制造技能是指90年代初由日本提倡的''智能制造系统”(IMS)国际互助研究筹划提出的技能。这个互助研究组织包罗日、美、欧盟、澳大利亚等，筹划在十年中投资10亿美元，设立100个研究开发项目，开展智能制造的前期研究事情，目标是开发出能使人和智能设备都不受操纵者和版图限制的互助系统。而数控加工的主力设备数控机床技能在外洋的生长已经出现出五大特点：1.高速、高效和复合加工机床生长迅速2.机床更强调宁静和环保要求3.功效部件生长迅速，已形成完整配套件财产4.控制系统功效越发完善、强大，开放式结构趋势明显5.机床的外观、质量水平更高1.5机电一体化技能的生长与展望.数控化和综合化将先进的盘算机及多种控制技能手段、以及高精度和自动化的工件定位系统相结合，从而形成研制和生产的加工中心，已成为数控加工技能生长的一个重要趋势。.小型化和组合化外洋已把切割铣削和模具冲压多种加工要领组合在一台机床上，制成多功效的冲床，它兼有切割铣削的多功效性和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割铣削庞大外形、打孔、打标、划线等加工任务．数控铣床电气控制系统的设计第2章系统的总体设计a第2章系统的总体设计一个较完善的机电一体化系统，包罗以下几个要素：机器本体、能源部门、测试传感部门、驱动装置、控制及信息处置惩罚单位，各要素之间通过接口相联系。机器部门机器部门设计与阐发将凭据机器设计原理提出几种机器设计方案，并对这些方案进行比力选择，阐发设计方案选择的理由以及所接纳方案的特点；同时，就设计历程论述本人对有关设计的一些表述.本设计是一个主要用于讲授实验用的数控铣床系统，是要对零件进行铣削加工的。我们要论证讲授实验用的数控铣床系统的总体方案，就需要对该系统有一个整体的了解。下图就是数控铣床加工系统的简图。要进行总体方案论证，先要熟悉设计参数，我们才气以此为依据进行取舍。下面就是我们这次设计的参数。讲授实验用的数控铣床系统，其事情参数如下：机床尺寸(宽长高)：76014751400(mmmmmm)最大加工范畴(XYZ)：400300150(mmmmmm)主轴电机功率：60(W)主轴转速：3000(r/min)事情台尺寸160160(mm)空间加工范畴170160(mm)事情台最大承重s50(kg)事情速度0〜5(m/min)快速移动速度8m/min数控铣床的结构形式有许多，通过对其主要的结构形式的阐发，大要上最常见的可分为如下两类：＜1＞工件沿X坐标偏向移动的类型这类机床主要接纳的是龙门式结构，其事情的原理为：事情台沿X偏向移动。而Y坐标则为打印头在由双立柱及横梁组成的龙门上的运动，既可用于二、三坐标作平面铣削，又可以扩展为四坐标机床用于切割管件和型材，还能组成五坐标机床加工空间曲面。这类机床的规格尺寸较大。另外工件沿X坐标偏向移动式结构另有两种悬臂式的结构，一者是为事情台沿X坐标偏向移动，另一者为工件及夹具同时沿X坐标偏向移动，其规格尺寸都比龙门式的要小。＜2＞工件沿X,Y二坐标偏向移动的类型这类机床多为单纯用于切割的二、三坐标机床，其切割头悬臂伸出，在水平面内并无移动；而工件则可以沿X、Y两个偏向运动，这类机床的结构比力简朴，规格尺寸也较小，最大2000x1500（mmmm）。工件沿二坐标偏向移动的类型又可分为十字事情台式和工件与夹具移动式两种；前者工件与事情台连动，规格更小些；后者规格尺寸稍大，事情台牢固不动，而工件则由夹具夹持着移动，大多是与自动冲裁技能结合在一起成为可完成切割铣削，冲裁等多种加工功效的多功效机床。电气控制系统方案要实现对机电一体化的数控铣床的有效控制，这样的电气控制系统有多种方案可以选择。其中最主要的是接纳：＜1＞接纳单片机的控制系统；＜2＞接纳了集成DSP芯片的控制板与PC机相联系的控制系统；＜3＞接纳PLC与PC机相联系的控制系统。各控制系统方案的特点与比力：＜1＞接纳单片机的控制系统所谓的单片机便是一块集成了CPU、RAM、ROM（EPROM或EEPROM）、定时/计数器、时钟、多种功效的串行和并行I/O口的芯片。如Intel公司的8031系列等。除了以上根本功效外，有的单片机还集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。归纳综合起来说，单片机具有如下特点：（1）可靠性好。芯片自己是按产业测控情况要求设计的，其抗产业噪声滋扰优于一般通用CPU；步伐指令，常数，表格固化在ROM中不易破坏；许多信号通道都在一个芯片内部，故可靠性高。（2）易于扩展。片内具有盘算机正常运行所必须的部件，芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行I/O管脚，很容易组成种种范围的盘算机应用系统。（3）控制功效强。为了满足产业控制要求，一般单片机的指令系统中均有富厚的条件分支、I/O口的逻辑操纵以及位处置惩罚指令。一般来说，单片机的逻辑控制功效及运行速度均高于同一档次的微处置惩罚器。（4）单片机一般接纳了面向控制的指令。（5）代价低廉。如低档单片机代价只有几元钱。开发情况完备，开发东西齐全，应用资料众多,后备人才富足。并且海内大多数高校都开设了单片机课程和单片机实验。＜3＞接纳PC与PLC相联系的控制系统可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）是以微处置惩罚器为焦点的产业控制装置。它是盘算机家属中的一员，是为了产业控制应用而设计的，主要用于取代继电器实现逻辑控制。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，得到了乐成。这种控制装置将传统的继电器控制系统与盘算机技能结合在一起，具有高可靠性，灵活通用，易于编程，使用方便等特点，并且随着技能的生长，它的功效早已大大超出了逻辑控制的范畴，因此近年来在产业自动控制，机电一体化，改革传统财产方面得到遍及地应用。虽然种种PLC的组成各不相同，但是在结构上是根本相同的，一般由CPU,存储器，输入输出设备（I/O）和其他的可选部件组成。CPU是PLC的焦点，它用于输入种种指令，完成预定的任务。自整定，预测控制和模糊控制等先进的控制算法也已经在CPU中得到了应用存储器包罗随机存储器RAM和只读存储器ROM，通常将步伐以及所有的牢固参数固化在ROM中，RAM则为步伐运行提供了存储实时数据与盘算中间变量的空间；输入输出系统（I/O）使历程状态和参数输入到PLC的通道以及实时控制信号输出的通道，这些通道可以有模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出、脉冲量输入等，使PLC的应用十分遍及。在本控制系统中，PLC模块除了能够实现对机床各轴的顺序运动控制功效，还能实现X,Y轴的插补运动控制功效。所以选择PC与PLC相联系的控制系统。数控铣床电气控制系统的设计第3章数控铣床机器部门设计a第3章数控铣床机器部门设计数控铣床是由机器设备与数控系统组成的适用于平面零件加工的高效自动化机床。由于数控铣床由盘算机控制，所以能自动完成铣、钻、镗、铰、攻螺纹等多种工序的加工，因此能使生产效率和自动化水平大大提高。数控铣床整体上可以分别为电气控制和机器本体两大部门。微型数控铣床的机器本体，是系统电气控制部门的控制东西。它的结构和功效根本上决定了整个实验系统的功效。微型数控铣床机器本体的组成和结构数控铣床的分类和选型数控铣床可按多种要领分类。例如:按主轴在空间所处的状态可分为立式数控铣床和卧式数控铣床;按运动坐标数和同时控制的坐标数可分为三轴二联动、三轴三联动、四轴三联动、五轴四联动等;按加工精度又可分为普通数控铣床和高精度数控铣床。为了把数控铣床的特征表述得更清楚，常在立式或卧式数控铣床之后，同时说明是什么控制系统、几轴几联动或其它特性。每台数控铣床都有一定的规格和功效范畴，也有最佳的使用范畴。卧式数控铣床适合于加工箱体零件、泵体、阀体和壳体等。立式数控铣床适于加工庞大轮廓、曲面及板类零件等。规格相近的卧式数控铣床比立式数控铣床代价要高，但卧式数控铣床的工艺性比力遍及。实际的数控铣床选型历程，主要是:（1）按己定的主要被加工零件来选择数控铣床的规格（主要指事情台尺寸、坐标数量、坐标行程以及主轴功率等），一般应使事情台面稍大于零件尺寸，以便给安装夹具留出空间;（2）凭据典范零件要害部位的加工精度选择机床的精度品级（定位精度、铣圆精度）;（3）选择数控系统的功效:（4）选择自动换刀装置;（5）选择数控铣床的附件和技能办事等。本系统中，数控铣床主要用于讲授演示，让学生了解数控铣床的根本结构、功效和控制要领。因此，数控铣床的根本组成和结构主要凭据讲授实验目的来确定。微型数控铣床机器本体的结构凭据系统拟到达的种种实验功效，本文设计了一台卧式微型数控铣床。为了确保实验系统的开放性和灵活性，微型数控铣床的机器本体始终贯彻模块化设计原则。整个机器本体由:（1）X轴系;（2）Y轴系;（3）Z轴系这三大模块组成，其结构如图3-1所示。图3-1机器本体结构结构图上述三个模块在结构上具有很大的独立性和相对完整性。这样可以使讲授演示实验越发简朴明了，使学生对知识的学习有一定的系统性。机电一体化事情台的设计由于是用于讲授实验，所以机电一体化事情台的设计尺寸是凭据机床原尺寸进行了缩小，其结构见图3-1。机电一体化事情台有三个运动轴:X,Y,和Z轴。凭据系统的功效设计，X轴、Z轴由步进电机驱动，可以方便实现两轴联动;Y轴由交换伺服电机驱动，给学生学习伺服驱动提供条件。这样的设计使学生可以学到种种电机的控制要领，使整个系统的功效笼罩面更广。事情台的主要参数机电一体化事情台的主要技能参数如表3-1所示。表3-1事情台的主要技能参数技术规格单位参数事情台尺寸：长*宽mm200*200行程X轴mm300Y轴mm300Z轴mm300进给速度（X、Y、Z轴）mm/min1-1200快移速度（X、Y、Z轴）mm/min1500X、Z轴的结构设计X轴和Z轴均由步进电机驱动，两者的事情原理相同:步进电机轴与滚珠丝杠之间用联轴节直接相联，由步进电机动员滚珠丝杠转动，两者之间的传动比为1;再由滚珠丝杠动员滑台作直线进给运动。X轴的机器结构如图3-2所示。滑台与三个直线轴承套联结，由两根相互平行的直线轴承支撑，每根直线轴承由两个支承牢固;滑台垂直偏向上所受的力通过直线轴承通报给支承，再通报到底座上;直线轴承不但蒙受了X轴滑台垂直偏向上的力，还对滑台的运动起导向作用。为了限定事情台在划定的范畴内运动，在X向导轨的两个极限位置设置两个靠近开关作为限位开关，当事情台靠近限位开关时，限位开关发出极限位置报替信号，由控制系统进行处置惩罚；同样，还设置了另一个靠近开关作为事情台X轴向的原位检测开关。Z轴和Y轴上的位置检测开关的设置跟X轴是相同的。同时，为了让学生对事情台的运动有一个直观的认识，分别在X轴、Y轴的两个限位开关之间安顿了刻度尺，通过刻度尺可以读出事情台的位移量。图3-2X轴的机器结构如上所述，X轴向直线进给运动是由滚珠丝杠驱动的。对滚珠丝杠接纳两端牢固的支承方法。在装配时，除了应严格包管两直线轴承导轨平行、运动灵活外，还应该严格包管滚珠丝杠与直线轴承导轨之间的平行，且运动灵活。Z轴的机器结构与X轴根本相同，如图3-3所示。它安装在Y轴滑台上。由于Z轴的进给偏向与重力偏向平行，直线轴承只包管进给偏向，不蒙受Z轴滑台以及安装在其上的主轴所受的重力。当进给偏向与重力偏向相同时，重力成了进给驱动力;当进给偏向与重力偏向相反时，重力成了进给阻碍力。这对进给驱动控制是非常倒霉的。解决这个问题的有效途径是设计一个平衡重，抵消重力对进给驱动力的影响。理论上这个平衡重的质量应该便是Z轴滑台的质量与主轴质量的和。图3-3Z轴的机器结构机器部门设计与盘算已知条件1．微型数控铣床的设计数据进给电机1.5KW1400r/min最洪流平拖动力100kg=1000N进给最大速度纵向2.3m/min横向2.3m/min升降台0.77m/min工件最大重量20kg=200N机动范畴纵向300mm横向300mm升降150mm2．工艺数据工件加工余量：最大铣削宽度7mm最大铣削深度40mm刀具数据：高速钢圆柱铣刀直径①32〜①40mm斜刀齿数3〜4工艺数据：主轴转速150〜190r/min走刀速度40〜60mm/min每齿切厚为0.05〜0.2mm取0.1mm盘算3．机床进给部件重量预计纵向（X轴）事情台，长500mm，约重15kg=150N横向（Z轴）事情台，约为30kg=300N升降（丫轴）部门运动件约重50kg=500N为了防备升降台自行下滑，原机床设置有单向逾越离合器及摩擦片制动器，并且为了包管事情可靠，将摩擦阻力调到略大于升降台的重力，在数控改革后仍要保存此功效，这样在实际运动时下降的阻力最大，按600N盘算。滚珠丝杠螺母副的选用设计选择滚珠螺杆时,首先要尽量地观察清楚运转条件再决定设计,这是最根本的原则。并且，选择的要素有负荷重量、冲程、力距、定位精度、重复定位精度、刚性、导程、螺帽孔径等，各个要素之间都有干系，其中一项要素改变就会引起其他要素的改变，必须注意各要素之间的均衡。X（纵）向铣削力的盘算凭据机床设计手册，对高速钢圆柱铣刀Fz=9.81CFZae0.86af0.72apZdo-0.86其参数按实际加工历程中平均铣削条件铣削为准选取：取CFZ=68.2ae=5mmai=0.1mmap=30mmZ=4do=36mm所以FZ=9.8168.25-0.860.10.7230436-0.36=3735（N）对圆柱铣刀逆铣加工PH=（1〜1.2）FZ取PH=1.1FZ=1.12793（N）=3.072（kNPV=(0.2〜0.3)FZ取PV=0.25FZ=0.252793(N)=0.698(kN)Po=(0.35〜0.4)FZ取Po=0.375FZ=0.3752793(N)=1.047(kN)则=3150(N)=3.15(kN)强度盘算由于是实验系统，我们接纳的是两根直线轴承作为导向装置，使用铣床的燕尾型导轨事情时的轴向力Pm作为近似设计盘算。Pm=KPx+f'(Py+Pz+G)K=1.4f'=0.2Py=0Px=2P/3=23.15/3=2.1(kN)Pz=Po=1.047(kN)G=159.8=147(kN)=0.147(kN)所以Pm=1.42.1+0.2(1.047+0.147)=3.178(kN)寿命值Li=60niTi/106=601015000/106=9取fw=1.2fH=1.1则最大动负载凭据最大负载Q的值，可查表选取滚珠丝杠的型号。如选FC1B255,其动负载为11.67kN,远大于Q值，所以强度足够。刚度验算滚珠丝杠受事情负载Pm引起的导程变革量：/L1=PmLo/EF=3.1785/(200n421,8252)=0.00210-2(mm)=0.02(um)滚珠丝杠受扭矩引起的导程变革量/L2很小，可忽略。即/L=/L1所以导程变形总误差为/=100/L/Lo=1000.02/0,5=4(um/m)查表知选取用T5级精度丝杠允许的螺距误差为30um/m,故刚度足够。效率盘算丫二3。38‘6=10’则传动效率n=tanY/tan(Y+6)=tan3o38'/tan(3o38’+10’)=0.956稳定性验算由于接纳两端牢固的方法，稳定性足够。具体参数如表3-1。表3-1公称直径?25mm根本导程5mm钢球直径?3.175mm丝杠大径?24.5mm额定动负荷11.67kN额定静负荷28.5kN其型号为:FC1B255—3.175—T5/4005-52.Z（横）向用上述同样要领可选用Z（横）向滚珠丝杠螺母副为T5级精度丝杠FC1B255强度足够、刚度足够，稳定性足够，传动效率n=0.956。具体参数如表3-2。表3-2公称直径?25mm根本导程5mm钢球直径?3.175mm丝杠大径?24.5mm额定动负荷11.67kN额定静负荷28.5kN凭据对实物的丈量，横向进给丝杠的总长度为500mm,其中事情长度为300mm，故该丝杠的尺度型号为：FC1B255—3.175—T5/4005-5导轨、轴承的选择1.直线轴承的选用在本实验系统的设计中接纳直线轴承对滑台的运动起导向作用。■结构与特长线性轴承是由外筒、钢珠、钢珠保持器与两端扣环所组成。?保持器装置于外筒之内，由两端扣环牢固，使钢珠在轨道面重复循环而不至脱落。?外筒经充实的热处置惩罚而到达相当的硬度，以确保运动时的宁静性及寿命。?钢珠保持器由树脂成形，它可以淘汰钢珠与保持器间之噪音与磨耗。?容许使用温度为80℃以内。1．高精度、高刚度、低噪音线性轴承具有高硬度的外筒和钢珠，加上制造上严格要求，所以具有高精度；使用高拉力树脂保持器，淘汰了噪音量。2．装配容易线性轴承可蒙受任何偏向之负荷，商品尺度化、规格化，与其配合之组件加工容易，在装配上容易到达要求。轴承选择：接纳两端牢固支承方法。牢固端接纳两个角打仗轴承面劈面安装来蒙受轴向力和径向力。由于是实验系统，所受的载荷比力轻，所以凭据丝杆的轴径。选择代号为：7204C的轴承，D=20,D=47,B=14.2.联轴器的选择盘算：1.T=9550*P/N=9550*1.5/1400=10.23N.M2.3.3.4执行元件步进电机的盘算及选择.步进电机脉冲当量、步距角和降速比的选择脉冲当量6p、步距角eb,丝杠螺距t和降速比i之间的干系为6p=0b?t/360i一般数控铣床6p取为0.01mm/stept=5mm为了使实验系统的结构简朴,则选取减速比i=1;则.步进电机转轴上启动力矩的盘算由Tq=366p[Fs+|j(G+FZ)]/(2n0bn)(N?cm)式中：FS一一铣削进给抗力(N)FZ一一垂直进给抗力(N)G一一事情台及工件夹具总重量(N)取6p=0.01mm/stepFS=P=3150(N)FZ=PV=698(N)n=0.6p=0.2G=1000N则Tq=360.01[3150＋0.2(1000＋698)]/(23.140.750.6)=444.6(N?cm).确定步进电机最高事情频率fmax=1000V快/6pV快=2.3m/min=0.038m/sfmax=10000.038/0.01=3800(Hz).步进电机的选择查表得Tq/Tjm=0.866步进电机最大静转矩Tjm=Tq/0.866=445/0.866=513(N?cm)综合以上条件及加工要求选用110BYG260A步进电机，三相六拍事情方法。110BYG260A步进电机主要技能参数如表3-3：表3-3步距角o最大静转矩N?cm最高空载启动频率step/s运行频率step/s相数电压V相电流A外径mm长度mm轴径mm重量N0.75/1.58001500700028041101681465数控铣床电气控制系统的设计第四部门控制系统的设计a第四部门控制系统的设计通过RS-232串行通信电缆连接PC和PLC,PC作为上位机，PLC作为下位机，PC机主要用来体例PLC步伐，有时也发送控制信息。各功效模块是由PLC直接控制的，如PLC控制20GM，20GM是位置控制单位，它既可以实现单轴定位控制，又可以实现两轴联动位置控制。控制方案硬件设计将编程电缆连于20GM上，利用PC机上的定位软件“FXVPS-E^20GM输入定位步伐（此时，20GM的状态开关拔向手动位置“MANU”）；PLC设置为运行状态，运行PLC，打仗器KM2的主触头闭合，驱动器SH-20806c得电；20GM的状态开关拔向自动位置“AUTO”，运行20GM；按''复位”按钮，X轴复位，Z轴复位；中止PLC运行或PLC断电，打仗器KM2的主触头断开，驱动器SH-20806C断电。其控制步伐接线图如下图单轴定位控制步伐接线图一个盘算机数字控制系统，除了使事情台准确定位以外，还必须控制刀具相对付工件以给定的速度，沿着指定的路径，切削工件轮廓。这个事情首先是由插补器完成的。所谓插补，实质上是进行路径起点和终点之间数据点的“密化”，即插补出起点和终点之间各点的坐标值。在本实验系统中，机电一体化事情台的X轴和Z轴能够两轴联动，具有插补功效。设计中接纳三菱公司的FX2N-20GM定位模块来进行位置控制。驱动器则接纳四通公司的SH-20806C两相混淆式步进电机驱动器。由于FX2N-20GM与SH-20806C之间存在信号电平不匹配，故还需信号转换模块SC-01进行信号转换。两轴联动圆弧插补运动轨迹插补轨迹顺序示意图.1.1PLC的型号及性能在数控铣床实验系统中，PLC接纳日本三菱公司FX2N系列可编程控制器中的FX2N-80MT，它有40个输入点和40个输出点，M为根本单位，T为晶体管输出（无接点，直流负载用）。FX系列是由电源、CPU、存储器和输入输出器件组成的单位型可编程控制器，并且具有AC电源、DC输入型的内装DC24V电源作为传感器的帮助电源。有富厚的输入输出扩展设备，输入类型为DC24V输入，输出类型有继电器输出、晶体管输出和双向可控硅开输出三种。纵然出现10ms以内的瞬中断电，可编程控制器仍可继承事情。FX2N系列的尺度型可编程控制器内装有带备用电池的8K步RAM存储器，最大可扩充到16K步:内含计时器和高速计数器;具有脉冲捕获功效、输入中断功效和定时中断功效、计数中断功效；具有平方根、浮点数运算和PID运算功效。FX2N系列可编程控制器除了RS232接口外，另有专用的编程接口，可通过连接电缆与PC机连接。利用在PC机上运行的专用软件，可接纳SFC（顺序功效图）方法编程，也可用指令字或梯形图编程，三种方法可以相互转换；利用可输入汉字的外围设备可以给步伐添加汉字注释并显示。该软件还具有实时监控功效，可监控PLC的运行状态。别的，该PLC还具有“RUN写入”功效，PC机使用相应的编程软件，可在PLC运行时改变步伐。.1.2PLC的电路设计.可编程控制器的电源电路FX2N系列可编程控制器接纳AC电源，自己具有AC/DC换流功效，可以作为扩展模块的DC5V和24V输入电源，以及传感器的DC24V供给电源。其电源电路的组成和外部配线原理如图4-1所示。不能将AC电源接在直流输入输出端子或直流电源端子上，不然会烧毁可编程控制器。根本单位的接地端子，要用截面2mm以上的电线，实行第三种接地。.可编程控制器的DC输入电路FX2N系列可编程控制器的DC输入形式为接点输入或NPN开路集电极晶体管输入，输入电路与PLC内部电路时间接纳光耦合绝缘;输入信号电压为DC24V,输入信号电流为7mA,输入ON电流为4.5mA以上，输入OFF电流为1.5mA以下，输入应答时间约l0ms,输入接通时LED指示灯亮。传感器的输入电流可以由可编程控制器内部的DC24V电流供给，也可利用外部电源供给。利用外部电源驱动光电开关等传感器时，该外部电源的电压应为24V4V，传感器的输出晶体管应选NPN开路集电极型，且输出晶体管要有足够的击穿电压。接点输入和传感器输入的原理如图4-2所示。图4-1PLC电源电路示意图图4-2PLC信号输入电路示意图.可编程控制器的输出电路FX2N-80MT是晶体管输出型PLC，其端子是4点大众输出型负载驱动电源，应选用DC5--30V的稳压电源。内部电路与输出电路之间用光耦合器断绝，各个公用模块之间是相互离开的，当有输出时LED指示灯亮。最大电阻负载为:0.5A/1点、0.8A/4点或l.6A/8点（Y0,Y1以外），0.3A/1点（Y0,Y1）；最大感性负载为：12W/DC24V（Y0,Y1以外），7.2W/DC24V（Y0,Y1）；最大灯负载为:1.5W/DC24V（Y0,Y1以外），0.9W/DC24V（Y0、Y1）。开路漏电流为:0.1mA/DC30V。响应时间在0.2ms以下（其中，Y0,Y1为高速响应输出，在DC5V0.1A时，响应频率在20kHz以下:在DC12V〜24VO.1A时，响应频率在10kHz以下），并且另有轻负载时晶体管OFF时间变长的特点。当响应性要求高，而负载较轻时，可以虚设负载电阻，以增大电流。由于该PLC的输出电路无内置保险，为了防备负载短路等线路妨碍破坏输出元件，烧毁PLC的基板配线，应选用适合负载的保险。并且，对付同时ON有危险的正反转打仗器等负载，除了用PLC内部步伐联锁之外，还一定要实施PLC的外部联锁。对付FX2N-80MT，其输出端子的同时接通率不能高于80%。其输出电路如图4-3所示。图4-3PLC输出电路示意图步进电机控制系统设计在数控铣床实验系统中，有4处地方用到了四通公司的两相混淆式步进电机。其中，机电一体化事情台的X、Z轴需要的驱动转矩大，接纳57BYG250E,这种步进电机的步距角为0.90/1.80，接纳DC24V电源，双极恒流方法驱动。电机安装时用前端盖安装止口定位。步进电机联动控制电路设计1.FX2N-20GM性能FX2N-20GM定位模块是日本三菱公司的FX2N系列模块之一，内置7.8K步RAM，可以单独使用，也可作为PLC的专用单位。FX2N-20GM通过专用连接电缆FX2N-GM-5EC与PLC连接。它输出脉冲系列，允许用户使用步进电机或伺服电机，并通过驱动单位来进行位置控制。一个FX2N-20GM模块可以控制两根轴，具有线性/圆弧插补功效。FX2N-20GM的定位可以使用相对坐标，也可使用绝对坐标，命令单位mm,deg（度）、inch,pls（脉冲）等几种。接纳自动梯形模式加快/减速，最大速度为脉冲200kHz,15300cm/min。回零操纵可以自动也可手动，DOG（近点）信号机器零点回归，提供DOG搜索功效，通过电气启动点设置可以进行自动电气零点回归，接纳具有ABS检测功效MR-J2和MR-H型伺服电机时，可进行绝对位置检测。FX2N-20GM的主要控制输入信号有:FWD（手动正转）、RVS（手动反转）、ZRN（机器零点回归）、5丁八区丁（自动开始）、STOP（停止）、单步操纵输入、DOG（近点信号）,LSF（正向旋转极限）、LSR（反向旋转极限）、SVRDY（伺服准备）、SVEND伺服结束）、PGO（零点信号）等，控制输出信号有:FP（正向旋转脉冲）、RP（反向旋转脉冲）、CLR（清除计数器）等。别的，另有12种系统参数设置、27种定位参数设置和19种110控制参数设置，可通过特殊数据寄存器来变动步伐设置（系统设置除外），如表4-1所示。FX2N-20GM配有一种专用的定位语言（Cod指令）温顺序控制语言（根本指令和应用指令）。步伐可通过专用编程东西写入FX2N-20GM，就可进行定位操纵，也可用PLC中的步伐来进行位置控制。PLC使用FROM,TO指令可对20GM的参数进行读写操纵。指令格式如下：设20GM的模块地点为#0，则第一条指令执行结果是将20GM中D9004的数据（X轴的当前位置值）读到PLC的数据寄存器D30中，第二条指令的执行结果是把PLC的数据寄存器D350中数据（应存放运动机构的最大速度值）送到20GM的D9208中。20GM的大部门参数均可由PLC进行读写操纵，少部门参数只能进行读操纵。表4-120GM的参数设置2.SH-20806c性能SH-20806C型驱动器用于驱动四通电机公司的45,57,86BYG系列以及其它品牌两相混淆式步进电机。接纳改进半步运行模式。由于接纳了H桥恒相流驱动方法，并允许较大的输入电压范畴（DC24V〜70V），包管了电机的快速响应。该驱动器接纳单脉冲控制方法。输入控制信号通过驱动器内置光耦断绝，接纳共阳极接法。要求控制信号提供至少6mA的驱动电流，信号可使用尺度TTL电平，较高的信号幅值有利于提高信号的抗滋扰能力。其控制信号有:（1