Z3040钻床工作台Y向进给系统设计（PLC控制）

第页共35页XX学院本科课程设计题目：Z3040钻床工作台Y向进给系统设计（PLC控制）

二○XX年十二月目录1．设计任务书······································32．总方案确定······································33．机械部分设计与计算······························43.1确定尺寸及估计重量·······························43.2横向（Y向）设计计算····························43.2.1切削力的计算·····························3.2.2直线滚动导轨副的计算与选型···········3.2.3滚珠丝杠设计计算·······························63.2.4步进电机选用···································103.2.5步进电机减速箱的选用···························14、工作台机械装配图的绘制··························255、电器部分设计··················265.1PLC简介·····················265.2Z3040摇臂钻床的工作原理·············265.3PLC设计···················296、设计小结········································337、参考文献········································35

任务书(机电方向)题目：Z3040钻床工作台Y向进给系统设计（PLC控制）要求：在该钻床的结构上，设计数控工作台，尺寸400*360mm；保留主传动系统；脉冲当量为0.005,定位精度为0.01mm,空载移动速度为3100mm/min时间：20XX年11月19日至20XX年12月29日具体任务：总体方案确定；机械部风设计及计算，要求数据具有科学性；绘制装配图及其零件图若干张；控制部分包括硬件和软件的设计（流程）；编写设计说明书（不少于一万字）。机电工程系20XX年11月

2.总方案确定1.机械传动方案的选择（1）导轨副的选择：要设计的工作台与z3040钻床配套使用的，因此，选用直线滚动导轨副，它具有麽擦系数小，不宜爬行，传动效率高，结构紧凑，安装预紧方便等优点。（2）丝杠螺母副的选用：伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005的脉冲当量和0.001的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高，动态响应块，运转平稳，寿命长，效率高，预紧后可消除反向间隙。（3）减速装置的选用：选择了步进电机和滚珠丝杠副以后，为了脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机上的转动惯量，可能需要减速装置且应有消息机构。因此，决定采用无间隙齿轮传动减速箱。（4）伺服电动机的选用：任务书的脉冲当量尚未到达0.001mm,定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机以降低成本，提高性价比。(5)步进电机的控制方式：由于任务书所给精度对于步进电机来说还可应付，因此工作台仅要求单坐标定位，选用开环控制。2.控制系统的设计（1）对于步进电机的开环控制，选用8031作为控制系统的cpu,可满足任务书给定的相关指标。（2）要设计一台完整的控制系统，在选择cpu以后，还需进行存储器的选择和扩展，输入\输出接楼电路的设计，隔离电路，报警电路，运行指示电路等。(3)选择适合的驱动电源，与步进电机配套使用。3.机械部分设计与计算3.1确定尺寸及估计重量根据钻床工作台的尺寸初步确定Y轴方向移动的工作台尺寸重量约为200N。X轴方向移动的工作台尺寸重量约为150N。XY工作台总重量（包括夹具及工件）不超过450N。3.2横向（Y向）设计计算3.2工件为(45#HB250)C=1063.12V=0.129d=0.903f=0.956f=0.966V=18m/mind=6mmf=0.102mm/rF=CVdf=1063.12×18×6×0.102=877.82(N)对于麻花钻钻削加工F=0.57F=0.57877.82=500.4(N)F=0.4F=0.4877.82=351.128(N)F=0.03F=0.03877.82=26.33(N)3.2.2（1）滑块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。工作台为水平放置，采用双导轨，四滑块的支撑形式，考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为： Fmax=G/4+F其中，移动部件重量G=800N,外加载荷F=Fx=556N，代入式，的最大工作载荷Fmax=756N=0.756KN。查表，根据工作载荷F=0.756KN,出选定直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA—LG15型，器可定动载荷Ca=7.94KN,额定静载荷Coa=9.5KN。任务书规定工作台尺寸为400mm*360mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，安标准系列，选取导轨的长度为700mm。（2）距离额定寿命L的计算上述选取的KL系列JSA-LG15导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100摄氏度，每根导轨上配有两只滑块，精度为四级，工作速度较低，载荷不大，查表分别取硬度系数Fh=1.0,温度系数Ft=1.00,接触系数fC=0.81,精度系数Fr=0.9,载荷系数Fw=1.5，带入式，得距离寿命：L=6649km远大于期望值50km,故距离额定寿命满足要去。3.2.3滚珠丝杠设计计算1)强度计算对于导轨的牵引力计算F=KF+f(F+2F+G)取K=1.4f=0.2考虑工作台在移动过程中只受G影响故F=fG=0.2×450=90(N)考虑工作台在加工时静止只受FX影响故F=KF=1.4×500.4=700.56(N)取F=F2)计算最大动载荷C初选螺母副导程L0=6mm丝杠的转速n=100r/minL=查[2]表6-7取T=15000hL===90考虑滚珠丝杠在运转过程中有冲击振动和考虑滚珠丝杠的硬度对寿命的影响。查[2]表6-7取f=1.2查[2]表6-8取f=1.0Q=ffF=×1.2×1×877.82=4.72(KN)查[3]表2-27选取G2506型滚珠丝杠(Ca=13.1KN>Q),所以刚度足够3)效率计算根据[7]的公式，丝杠螺母副的传动效率η为η=摩擦角Φ=10′由[2]可知螺旋角γ=4°22′由[3]可知η===0.963滚珠丝杠的传动效率高，这可使丝杠副的温度变化较小，对减小热变形，提高刚度、强度都起了很大作用。4)刚度验算：滚珠丝杠受工作载荷Fm引起的导程变化量△L1=±L=6mm=0.6cmE=21×10N/cmF=2π=3.46(cm)△L1=±=±=±5.78×10滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量△L2很小，可忽略，既△L=△L1所以导程变形总误差△为△===9.64(μm/m)查[2]表6-9知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15μm/m，故刚度足够。5)稳定验算机床的进给丝杠通常是轴向力的压杆，若轴向力过大，将使丝杠失去稳定而产生弯曲，依据[8]中的欧拉公式计算F=式中截面惯性矩，对实心圆柱J===0.95(N·cm)F===1972613.719(N)[n]=2.4～4n===2815.77>[n]所以滚珠丝杠安全不至失稳6)滚珠丝杠基本尺寸表3.1滚珠丝杠副主要尺寸列表主要尺寸计算公式计算结果公称直径d0——25基本导程L0——6滚珠直径d3——3.969滚珠圆弧半径R——2.064螺旋升角γ——4°22′滚道圆弧偏心距e——0.056丝杠大径d————丝杠小径d1d=d+2e-2R20.984丝杠长度SS〈700500螺母大径D——53螺母小径D0————螺母长度——603.2.4（1）转动惯量计算选型工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：J=()2·G=()2×450=65.66(N·cm2)丝杠的转动惯量Js=7.8410PL=7.8×10-4×24×48=5.9904(N·cm2)齿轮的转动惯量J=7.8410PL=7.8×10-4×(3.775)4×1.7=1.72(N·cm2)J=7.8410PL=7.8×10-4×(5.125)4×2=1.076(N·cm2)J=7.8410PL=7.8×10-4×(3.75)4×2.6=4(N·cm2)J=7.8410PL=7.8×10-4×(6.125)4×2.8=30.738(N·cm2)总传动惯量J=++J+J=+1.72+65.66=79.679(N·cm2)（2）计算家在步进电机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1）所需转动力矩快速空载时所需的力矩M=M+M+M当n=n时M=Mn===416.67(r/min)M===1.66(Ncm)M===3.44(N·cm)当η=0.9时预加载荷P=，则M===3.44(N·cm)M===33.45所以快速启动时所需力矩M=M+M+M=1.66+2.865+1.765=6.29(N·cm)切削时所需力矩M=M+M+M=0+0+1.765+27.87=29.635(N·cm)由上分析计算可知所需最大力矩M发生切削启动时M=M=35.568N·cmM===74.0875(N·cm)为满足最小步进距要求，电动机选用三相三拍工作方式查表7-2知=0.886M==102.68(N·cm)步进电动机的最高频率f===3333.33(HZ)选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求3.2.5步进电机减速箱的齿轮的相关计算1)传动比的计算i===2.52)初步分配传动比由[2]按获得最小转动惯量的原则分配传动比i=iii=得i=1.52i=1.643)初步估计齿轮模数m=1.25小齿轮Z=27大齿轮Z=iZ1=1.5227=41b=17mmb=20mmd=mZ=1.2527=33.75mmd=mZ=1.2541=51.25(mm)a===42.5(mm)小齿轮Z=30大齿轮Z4=iZ=1.6430=49b=26mmb=28mmd=mZ=1.2530=37.5(mm)d=mZ=1.2549=61.25(mm)a===49.375(mm)齿轮的验算1)材料的选择由[5]机械设计表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS2)第一对齿轮按齿面接触强度设计由[5]设计计算公式（10-9a）d(1)确定公式内的各计算值①试选择载荷系数K=1.3②小齿轮传递的转矩T=8000(N·m)③由[5]表10-7选出齿宽系数=0.5④由[5]表10-6查得材料的弹性影响系数Z=189MPa⑤由[5]图10-21d（按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度）=600MPa大齿轮的接触疲劳强度极限=550MPa小齿轮的接触疲劳强度极限⑥由[5]10-13计算应力循环次数N=60njh=608331（2830015）=3.610N===2.36810⑦由[5]图10-19查得接触疲劳寿命系数K=0.92K=0.96⑧计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%安全系数S=1由式（10-12），得[]===552(MPa)[]===528(MPa)(2)计算①试算小齿轮分度园直径d带入[]中较小的值d=2.32=38.18(mm)②计算圆周速度vv===1.665(m/s)③计算齿宽b==0.538.18=19.09(mm)④计算齿宽与齿高之比b/h模数m==1.414(mm)齿高h=2.25m=2.51.414=3.18(mm)=6⑤计算载荷系数根据v=1.665m/s7级精度由[5]图10-8得动载系数K=1.1直齿轮假设〈100N/mm由表10-3得K=K=1.2由表10-2得，使用系数K=1由表10-4得7级精度小齿轮相对支承悬臂布置时K=1.12+0.18（1+0.7）+0.2310b=1.24由=5.1，K=1.24查图10-13得K=1.28故载荷系数K=KKK=11.11.21.24=1.6368⑥按实际的载荷系数校正所算得的分度园直径，由式（10-10a），得d=d=38.18=41.23(mm)⑦计算模数mm===1.527(mm)3)第一对齿轮按齿根弯曲强度设计由式（10-5）得弯曲强度的设计公式m(1)确定公式内的各计算值①由图10-20C查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500MPa,大齿轮的弯曲疲劳强度极限=380MPa②由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数K=0.8K=0.87③计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳完全系数.S=1.4[]===307.14(MPa)[]===236.14(MPa)④计算载荷系数K=KKKK=11.11.21.28=1.6896⑤查取齿形系数由表10-5查得Y=2.57Y=2.39⑥查取应力校正系数由表10-5查得Y=1.6Y=1.672⑦计算大，小齿轮的并加以比较==0.0134==0.0169大齿轮数值大(2)设计计算m==1.078对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度多决定的承载能力，而齿面接触强度多决定的承载能力，仅与只论直径归类，可取由弯曲强度算得的模数1.078〈mm=1.25故齿轮强度适合。4）第二对齿轮按齿面接触强度设计由[5]设计计算公式（10-9a）d(1)确定公式内的各计算值①试选择载荷系数K=1.3②小齿轮传递的转矩T=i=13120(N·m)③由[5]表10-7选出齿宽系数=0.7④由[5]表10-6查得材料的弹性影响系数Z=189MPa⑤由[5]图10-21d（按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度）=600MPa大齿轮的接触疲劳强度极限=550MPa⑥由[5]10-13计算应力循环次数N=60njh=60457.691（2830015）=1.97710N===1.210⑦由[5]图10-19查得接触疲劳寿命系数K=0.95K=0.99⑧计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%安全系数S=1由式（10-12），得[]===570(MPa)[]===544.5(MPa)(2)计算①试算小齿轮分度园直径d带入[]中较小的值d=2.32=39.04(mm)②计算圆周速度vv===0.94(m/s)③计算齿宽b==0.739.04=27.328(mm)④计算齿宽与齿高之比b/h模数m===1.3(mm)齿高h=2.25m=2.51.414=3.18(mm)=9.34⑤计算载荷系数根据v=0.94m/s7级精度由[5]图10-8得动载系数K=1.06直齿轮假设〈100N/mm由表10-3得K=K=1.2由表10-2得，使用系数K=1由表10-4得7级精度小齿轮相对支承悬臂布置时K=1.12+0.18（1+0.7）+0.2310b=1.12+0.18（1+0.70.7）0.7+0.231027.328=1.24由=9.34，K=1.24查图10-13得K=1.23故载荷系数K=KKKK=11.061.21.24=1.57728⑦按实际的载荷系数校正所算得的分度园直径，由式（10-10a），得d=d=39.04=41.64(mm)⑧计算模数mm===1.388(mm)5)按齿根弯曲强度设计由式（10-5）得弯曲强度的设计公式m(1)确定公式内的各计算值①由图10-20C查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500MPa,大齿轮的弯曲疲劳强度极限=380MPa②由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数K=0.8K=0.87③计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳完全系数.S=1.4[]===300(MPa)[]===233.43(MPa)④计算载荷系数K=KKKK=11.061.21.23=1.56456⑤查取齿形系数由表10-5查得Y=2.57Y=2.39⑥查取应力校正系数由表10-5查得Y=1.625Y=1.696⑦计算大，小齿轮的并加以比较==0.0136==0.0169大齿轮数值大(2)设计计算m==0.92对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度多决定的承载能力，而齿面接触强度多决定的承载能力，仅与只论直径归类，可取由弯曲强度算得的模数0.92〈m，m=1.25故齿轮强度适合4.工作台机械装配图的绘制5.电器部分设计5、1可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC,是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用设计[2]，它采用了可以编制程序的存储器，用来在其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等面向用户的指令，并通过数字和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。与传统的继电器—接触器控制方式相比，PLC控制具有以下特点：(1)可靠性高，抗干扰能力强。PLC采取屏蔽、滤波、隔离、电源调整与保护、元件筛选、模块化结构、自诊断功能、信息保护和恢复、双CPU冗余系统等措施，使PLC的平均故障间隔时间达几十万小时，远远超过IEC规定的十万小时。(2)丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接相连。输入输出端口选择灵活，有多种机型，组合方便。(3)编程方便，易于使用。PLC的编程可采用与继电器极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气人员的欢迎。(4)功能强大。除基本的逻辑控制、定时、计数、算数运算外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、过程运算、数字控制等功能，为方便工厂管理又可以与上位机通信，通过远程模块可以控制远程设备。因此，PLC几乎是全能的工业控制计算机[3]。(5)PLC还具备网络功能，能进行多台PLC或PLC与PC机之间的联网通讯，可以很方便的构成“集中管理、分散控制”的分布式电气控制系统，通过现场总线的PLC通讯网络，可使工厂的各种资源共享，就更适合工厂自动化的需要，为自动化提供了技术保证。日本三菱电机公司的FX2N系列PLC不但具有上述优点，其作为新一代的小型PLC，保留了原小型PLC的I/O点数少，结构紧凑，整个硬件融为一体的特点，且CPU采用了功能更强的16位微处理器和专用逻辑处理芯片，功能大大增强。除了开关量I/O外，它可以连接模拟量I/O及其他各种特殊功能模块，执行逻辑运算、计数、定时、算数运算、数据处理和传送、高速处理、中断、通信联网各种功能指令。扫描速度很快，存储器容量大[4]。正是由于PLC电气控制系统的种种优点，采用FX2N系列的PLC对Z3040摇臂钻床电气控制系统的改造，可以大大提高Z3040摇臂钻床工作性能和系统的工作稳定性，为工业生产的现代化带来生机。5、2Z3040摇臂钻床的工作原理5、2.1Z3040摇臂钻床的主要结构Z3040摇臂钻床是一种用途广泛的万能机床，适合用于加工中小零件，可以进行钻孔、扩孔、铰孔、刮平面及改螺纹等多种形式的加工。主要有底座、内外立柱、摇臂、主轴箱、主轴及工作台等部分组成[5]。它的结构示意图如图1-1所示。图Z3040摇臂钻床的结构示意图5、2．2主电路我国原来生产的Z3040摇臂钻床的主轴旋转运动和摇臂升降运动的操作是通过不能复位的十字开关来操作的,它本身不具有欠压和失压保护。因此在主回路中要用一个接触器将三相电源引入。现在的Z3040摇臂钻床取消了十字开关，它的电气原理图如下所示：图2-1主电路它的主电路、控制电路、信号电路的电源均采用自动开关引入，交流接触器KM1为主电动机M1接通或断开的接触器，FR1为主电动机过载保护用热继电器。摇臂的升降，立柱的夹紧放松都要求拖动的电动机正反转，所以M2和M3电动机分别有两个接触器，它们为KM2、KM3和KM4、KM5。摇臂升降电动机M2、液压泵电动机M5均为短时工作，不设过载保护。5、2.2控制电路、信号及照明电路控制电路的电源由控制变压器TC二次侧输出220V供电，中间抽头对地为信号灯电源6.3V,照明变压器TD二次侧输出36V。图2-2钻床控制电路5、1.2Z3040摇臂钻床的主要运动形式[6]（1）主轴带刀具的旋转与进给运动主轴的转动与进给运动有一台三相交流异步电动机驱动，主轴的转动方向由机械及液压装置控制。（2）各运动部分的移位运动主轴在三维空间的移位运动有主轴箱沿摇臂方向的水平移动；摇臂沿外立柱的升降运动；外立柱带动摇臂沿内立柱的回转运动。（3）移位运动部件的夹紧与放松摇臂钻床的三种对刀移位装置对应三套夹紧与放松装置。对刀移动时需要将装置放松，加工过程中需要将装置夹紧。三套夹紧装置分别为摇臂夹紧，主轴箱夹紧，立柱夹紧。5、2.3Z3040摇臂钻床的主要控制要求摇臂钻床有以下控制要求：1)对主轴电动机M1的要求：单方向旋转，有过载保护。2）对摇臂升降电动机M2的要求是：全压正反转控制，电动控制；启动时，先启动液压泵电动机M3，在启动摇臂升降电动机M2；停机时，摇臂升降电动机M2先停止，然后液压泵电动机M3才能停止；电动机M3对M2设有必要的联锁保护。3）对液压泵电动机M3的要求：全压正反转控制，设长期过载保护。4）冷却泵电动机M4容量小，由开关SA1控制，单方向运转。5）主运动与进给运动由一台电动机拖动，经主轴与进给传动机构实现主轴旋转和进给。6）对立柱、主轴箱及摇臂的夹紧放松采用液压技术；6）具有必要的联锁与保护[7]。5、3PLC的Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计Z3040摇臂钻床电气控制系统的设计方案由两部分组成，一部分为电气控制系统的硬件设计，也就是PLC机型的确定；另一部分是电气控制系统的软件设计，也就是PLC控制程序的编写。为了使改造后的摇臂钻床仍能保持原有功能不变，改造的重要原则之一就是，不对原有机床的控制结构做过大的调整，只将原继电器控制中的硬件接线改为软件编程来替代[8]。5、3.1PLC电气控制系统的硬件部分

选择基于PLC的摇臂钻床电气控制系统的PLC机型，应从如下几个方面考虑：1）PLC的物理结构；2）PLC的指令功能；3)PLC的输入输出点数（共13个输入信号9个输出信号）；4）PLC的存储容量；5）输入、输出模块的类型[9]。考虑留有一定余量，选用FX2N-32MRPLC5、3.2PLC的I/O端口分配表根据所选PLC的型号进行I/O点的端口分配，如表2-1、表2-2。表2-1输入端口分配表地址号符号名称用途X0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X13X14SQ5SB1SB2SB3SB4SB5SB6SQ1SQ2SQ3SQ4FR1FR2摇臂下降限位行程开关电动机M1起动按钮电动机M1停止按钮摇臂上升起动按钮摇臂下降起动按钮主轴箱、立柱、摇臂松开按钮主轴箱、立柱、摇臂夹紧按钮摇臂上升限位行程开关摇臂放松用行程开关摇臂自动夹紧行程开关主轴箱与立柱箱加紧松开行程开关电动机M1过载保护电动机M3过载保护表2-2输出端口分配表地址号符号名称用途Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y10Y11Y12YAKM1KM2KM3KM4KM5HL1HL2HL3电磁阀主轴旋转接触器摇臂上升接触器摇臂下降接触器摇臂松开、立柱箱立柱松开接触器摇臂夹紧、立柱箱立柱夹紧接触器立柱松开指示信号灯立柱夹紧指示信号灯主电动机旋转指示信号灯5、3.3PLC的I/O电气接线图PLC的Z3040摇臂钻床的I/O电气接线图如图2-1。图中X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X10、X11、X12、X13、X14共用一个COM端，输入开关的其中一端应并接在直流24V电源上，另一端应分别接入相应的PLC输入端子上。接线时应注意PLC输入输出COM的极性。接触器的线圈工作电压若为交流110V，则接触器线圈连接的Y0、Y1、Y2、Y3；Y4、Y5、Y6、Y7;分别共用一个COM端。信号灯电源电压为6.3V，因此Y10、Y11、Y12可以共