数控机床横向进给系统及结构设计

目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"前言 21、数控机床进给系统概述 21.1伺服进给系统概述 2\o"CurrentDocument"1.2伺服进给系统分类 3\o"CurrentDocument"1.3伺服进给系统的基本要求 3\o"CurrentDocument"1.4主要设计任务 32.1确定滚珠丝杠副的导程 3\o"CurrentDocument"2.2确定当量转速与当量载荷 3\o"CurrentDocument"2.3预期额定动载荷 4\o"CurrentDocument"2.4确定允许的最小螺纹底径 6\o"CurrentDocument"2.5确定滚珠丝杠副的规格代号 7\o"CurrentDocument"2.6确定滚珠丝杠副预紧力 7\o"CurrentDocument"2.7行程补偿值与与拉伸力 7\o"CurrentDocument"2.8确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格 8\o"CurrentDocument"2.9滚珠丝杠副工作图设计 8\o"CurrentDocument"2.10电机选择 9\o"CurrentDocument"2.11传动系统刚度 112.12刚度验算及精度选择 12\o"CurrentDocument"2.13验算临界压缩载荷 13\o"CurrentDocument"2.14验算临界转速 133、PLC控制系统设计 143.1控制部分的要求及硬件的选择 14\o"CurrentDocument"3.2PLC组成及工作原理 14\o"CurrentDocument"3.3变频器工作原理 15\o"CurrentDocument"3.4编码器工作原理 16\o"CurrentDocument"3.5顺序功能图及硬件接线图 17\o"CurrentDocument"PLC程序计算公式 18\o"CurrentDocument"结束语 22\o"CurrentDocument"参考文献 22前言随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控车床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普遍实现自动编程。 未来数控车床的类型将更加多样化；激光加工等技术将应用在车床的切削加工上；数控车床的自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中。 无人化，规模化生产对加工设备提出了高速度，高精度，高效率的要求，交流伺服系统具有高响应，免维护，高可靠性等特点，正好适应了这一需求。例如，日本法努克公司，三菱电机公司，安川电机公司，德国西门子公司，aeg公司，力士乐公司，美国抗体公司，通用电气公司等均先后在1984年前后将交流伺服系统付诸实用。进入20世纪90年代，微电子制造工艺的日臻完善，使得DSP运算速度呈几何数上升，达到了伺服环路高速实时控制的要求，一些运动控制芯片制造商还将电机控制所必需的外围电路与DSP内核集成于一体，使得伺服控制回路采样时间达到100ms以内，由单一芯片实现自动加、减速控制，电子齿轮同步控制，位置、速度、电流三环的数字化补偿控制。一些新的控制算法如速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。目前一些工业发达国家的伺服系统生产厂家基本上均能够提供全数字交流伺服系统或者可以与自己的CNC系统相配套，如日本FANUC公司、三菱电机公司、安川电机公司、松下公司、山洋电机公司、德国Siemens公司、力士乐Indramat公司、Lenze公司、美国A.B公司、Kollmorgen公司、Relliance公司、Baldor公司、PacificScientific公司等。1、数控机床进给系统概述1.1伺服进给系统概述数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构和执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电动机，功率步进电机，电业脉冲马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴刀架等执行部件实现工作进给和快速移动。数控机床的伺服进给系统与一般机床的进给系统有本质的差别，他能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定运动规律所合成的运动轨迹。1.2伺服进给系统分类数控私服进给系统按有无位置检测和反馈进行分类，有以下三种：（1）开环伺服系统（2）半闭环伺服系统（3）闭环伺服系统1.3伺服进给系统的基本要求（1）精度要求（2）响应速度（3）调速范围 （4）低速、大转矩1.4主要设计任务X轴：进给行程 330mm；进给速度 3300mm/min，快移速度8m/min,；最大进给力： 4300N；定位精度:0.012mm/300mm,重复定位精度:0.006mm，横向滑板上刀架重量：83Kg。2、伺服进给系统的设计计算2.1确定滚珠丝杠副的导程Pk:滚珠丝杠副的导程 mm：工作台最高移动速度圮/n血也以：电机最高转速 r/min1 :侍劾比因电机与丝杠直联，i=1Vmax=8m/min预设Nmax=1200r/min代入得，Ph=6.667mm查表，取Ph=102.2确定当量转速与当量载荷（1） 各种切削方式下，丝杠转速_Vi11;= Phiii:丝杠转速 r/mm 1=l,2nA=nV£:进给速度 m/mm i=1,2,A,nV1=3.3m/minV2=8m/min代入得n1=330n2=800各种切削方式下，丝杠轴向载荷F=P+W1+七F:丝杠轴向载荷NI=1，2，……，niP：进给力P1=4300N，P2=0N已知W1+W2=830N代入得F1=5130N,F2=830N（3）当量转速当负荷与转速接近正比，各转速使用机会均等时n="max+"minm2n:当量转速 r/min求得nm=565r/min（2）当量载荷F= max minm3虹:当量载荷N代入得F=3697N2.3预期额定动载荷（1）按预期工作时间估算Cm:预期额定动载荷N按表2-4查得：轻微冲击取f=1.3w按表2-2查得：1〜3取矣=1按表2-3查得：可靠性90%取f=1c按表2-1查得：：L=15000小时h代入得798C^38361N帆夷型h畚注 '5000-10000孑件国天）X】就小时）万侦犀）xp-SOT岫昔51机床LQOOO「mst/is康皿箱密机床20000烈示机棵liood航空机林1Q0表2-1各类机械预期工作时间L2.3^.571虹1一匕1.00.90.50.1表2-2各类精度等级可靠■阻99龄卵|叶|S3991盅明0.53|0.44|0.330.21表2-3可靠性系数无冲艺〔很平函粒徵冲击件有冲击虱震劾1-1.2L2-L51.5-?表2-4负载性质系数（2）拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载Fmax计算:"=fF-皿sn?c<按表2.5查得：中预载取F=4.5e代入得=23085Nam取以上两种结果的最大值C=38361N预加角荷类霎重侦戴4.5表2.5预加载荷系数2.4确定允许的最小螺纹底径(1)估算丝杠允许的最大轴向变形量6皿^(1/3〜1/4)重复定位精度6皿^(1/4〜1/5)定位精度TOC\o"1-5"\h\z:最大轴向变形量 Mm已知：重复定位精度0.6Mm,定位精度1.2Mm邕=0.2邕=0.3取两种结果的小值&皿=0.2Mm估算最小螺纹底径丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式d血:最小螺纹底径mmL(1.1〜1.2)行程+(10〜14)琮静摩擦力Fz部1已知：行程为330mm,W1=830N,取0=0.2代入得L=430mmF0=166Nd-23.2mm2m2.5确定滚珠丝杠副的规格代号选内循环垫片预螺母式滚珠丝杠副由计算出的琮<皿日如在样本中取相应规格的滚珠丝杠副FFZD3210-5Ph=10C=40000>38361Nd2=32>23.2mm2.6确定滚珠丝杠副预紧力其中F=5130NF=1710N2.7行程补偿值与与拉伸力(1) 行程补偿值C=11.8AtLx10-6式中：L=Lh+Ln+2La浇L^+(8-14)孔L=330mmL浇430mm&温差取2.5。。C«13pmE二1.95Atd；L Xi代入得F=49922.8确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格轴承所承受的最大轴向载荷F二F+F

Biuk—tmax代入得FB =10122N轴承类型两端固定的支承形式，精密滚珠丝杠推力角接触球轴承轴承内径d略小于d2=32Fp=1/3FB取d=30mm代入得Fp=3374N轴承预紧力预加负荷N「bf按样本选轴承型号规格所以选760306TN1轴承d=30mm预加负荷为4300>F时=3374N2.9滚珠丝杠副工作图设计丝杠螺纹长度L：s由表二查得余程Le=40由表二查得余程Le=40绘制工作图(2)两固定支承距离L1按样本查出螺母安装联接尺寸丝杠全长L=700mm2.10电机选择(1)作用在滚珠丝杠上各种转矩计算外加载荷产生的摩擦力矩J(N・m)T=X103F2兀门1,2,3级精度的丝杠门=0.9带入得J=9072x10-3N-m滚珠丝杠预加载荷Fp产生的预紧力矩Tp(N・m)FP5X10-32兀 门2T=1605x10-3(N・m)(2)负荷转动惯量J[(kg-m2)及传动系统转动惯量J(kg-m2)的计算J=YJ(L)2+Zm(-1^)2lin j2兀nm m式中Ji,n.为各旋转件的转动惯量和转速mj,Vj为各直线运动部件的质量和速度Jm,nm为电机的转动惯量和转速JJ=2滚珠丝杠质量约为5KGJ-0.127kg-cm2带入得J=2.23kg-cm2加速转矩(孔)和最大加速转矩《当转速从n1升到n2时：2兀(n-n)广J^ 6&a当电机从静止升至n 时：max2兀nTamJ'~6^a式中£-加速时间牝(3-4)t七-电机时间常数查得七=4.91mst取3.5t求得T=12.54(N・M)T=18.4(N・M)电机的最大起动转矩(N-M)T=T+T+T+T+气)i+TT,=31.1电机连续工作最大转矩(N-M)T=J+T+T+七)i+TT=12.7确定电机我们选用120MB150A-001000交流伺服电机\=42.97>31.1七=14.32>12.72.11传动系统刚度(1)丝杠抗压刚度丝杠最小抗压刚度K.=6.6AX103Ksmin:最小抗压刚度 N/伊m电：丝杠底径L1 :固定支承距离Kmin=200N/«m丝杠最大抗压刚度£L七二6.6约(£1-£口)X102Ksmax:最大抗压刚度 N/毋mK=2600N/毋m支承轴承组合刚度由样本查出一对预紧760306TN1轴承Kbo=740 N/m支承轴承组合刚度Kb=2KboK=1480N/^mbKb:支承轴承组合刚度 N/月m滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度K=K'(-^)：CC0.1Ca%：滚珠和滚道的接触刚度 N/毋mK「：查样本上的刚度 N/毋mFp :滚珠丝杠副预紧力NCa :额定动载荷 N由样本查得：K「二1410N/毋m；C=34500N；F=4300NP得K=1517 N/月mC2.12刚度验算及精度选择已知W=830N，行二0.2F166NF0 : 静摩擦力 N向:静摩擦系数W:正压力 N验算传动系统刚度KminKmin:传动系统刚度N已知反向差值或重复定位精度为6K.=200>44.3传动系统刚度变化引起的定位误差为=0.8月m确定精度V300p :任意300mm内的行程变动量对半闭环系统言，V300pW0.8X定位精度-为定位精度为12#m/300V300V8.8月m丝杠精度取为2级V300=8尹mV8.8确定滚珠丝杠副的规格代号已确定的型号：FFZD公称直径：32导程：10P类2级精度FFZD4010-3-P2.13验算临界压缩载荷d4F=k1k2〜x105>Fg12.14验算临界转速&cr2rcln=f£caX10n: 临界转速 r/minf :与支承形式有关的系数』卫：丝杠底径mm入凶：临界转速计算长度 mmf=21.9由样本得d=3225721>n=15002.15验算：TwExD: 滚珠丝杠副的节圆直径 mmnmax: 滚珠丝杠副最高转速 r/minD241.4mmn=1500r/min41280V700003、PLC控制系统设计3.1控制部分的要求及硬件的选择本次课程设计要求，设计PLC与交流电机、变频器、编码器接线图，并实现加速-匀速-减速的速度曲线，可正反转。3.2PLC组成及工作原理PLC的硬件主要由CPU模块、I/O端口组成。中央处理单元CPU是PLC的核心，它是运算、控制中心，将完成以下任务：接受并存储用户程序和数据。诊断工作状态。接受输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来。读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作。PLC中的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器I/O接口模块的作用是将工业现场装置与CPU模块连接起来，包括开关量I/O接口模块、模拟量I/O接口模块、智能I/O接口模块以及外设通讯接口模块等。PLC工作过程一般可分为输入采样，程序执行和输出刷新三个主要阶段。PLC按顺序采样所有输入信号并读入到输入映像寄存器中存储，在PLC执行程序时被使用，通过对当前输入输出映像寄存器中的数据进行运算处理，再将其结果写入输出映像寄存器中保存，当PLC刷新输出锁存器时被用作驱动用户设备，至此完成一个扫描周期。PLC的扫描周期一般在100毫秒以内。PLC程序的易修改性，可靠性，通用性，易扩展性，易维护性可和计算机程序相媲美，再加上其体积小，重量轻，安装调试方便，使其设计加工周期大为缩短，维修也方便，还可重复利用。本次课程设计PLC选型为S7-200如图3-1

rpj?MDOMKK3作T i-：e可卿*ihnVH-WQ.' 心）龄0&J11KIL?LJL4皿5 HdJ自」。上Byd*也，i 、iruii.Si€ iiii土iff-v«■LLLNILLIL「1dJ自」。上Byd*也，i 、iruii.Si€ iiii土iff-v«■图3-1PLC3.3变频器工作原理主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路整流器.大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。平波回路.在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。逆变器.同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1） 运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2） 电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3） 驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4） 速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5） 保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏本次课程设计中选用的是3G3MZ变频器并配置3G3AZ-CT01扩展PG卡如图3-2图3-2变频器3.4编码器工作原理由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。

分辨率一编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5〜10000线。本设计选用1024分辨率PNP型集电极编码器图3-3编码器3.5顺序功能图及硬件接线图根据课程设计的要求可以画出顺序功能图，如图3-4图3-4根据所给定的硬件进行硬件接线，如图3-53-6运行速度图=120003-6运行速度图=12000D1加速变匀速时的数字脉冲量3-5硬件接线图?讨程序计算公式设V1=3000mm/mina为10mm/s匀速运行时间为10sVmax=8000mm/min0^^=32000脉冲当量0.01mmt=—1=5s t为加速减速时间aVmax.V=D1maxAD=* =240AD为每个脉冲所累加值100ms

PLC程序梯形图网第1WIDOg零SMO.1MOV_WENENO0-INOUT-W100网爆3启动之后等待正反转命令M020.5 M0.2「I 1C)Q0.1—，)1按下正转按钮口口，1置1M0.1网络7匀速M0.7M0.6—()T38 pNT3F100-PT 100msI改变模拟里输出控制度频嚣T40M0.51 SUGJEN ENOINI DU