1、CA614妙普通車床數(shù)控化改造袁劍梅(陜理工機械工程學院機械制造及其自動化專業(yè)機自專062班，陜西漢中723003)摘要以C6140型普通車床為例，從機械和電氣方面詳細闡述了數(shù)控化改造的方法。改造后的車床投入使用后運行穩(wěn)定，加工精度明顯提高，取得了極大的經(jīng)濟效益。關鍵詞普通車床；數(shù)控化改造；SINUMERIK802SbaselineNumericalControlTransformationofC6140CommonLatheYuanJianmei(Grade06,Class2,Majormachinedesignmanufactureandautormation,SchoolofMechan

2、icalEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003,Shaanxi)Tutor:ChenJiangangAbstract:TakesCA6140typecommonlatheasanexample,hasexplainedtheNCtransformationmethodfrommachineryandelectrictworespectsindetail.Aftertransforming,thenewlatherunssteadily,themachiningaccuracyisobviouslyimproved,has

3、madethegreattechnologicaleconomicbenefits.Keywords:commonlathe;NCtransformation;SINUMERIK802Sbaseline目錄引言第章概述第二章？?總體方案的設計2.2 總體方案的論證2.3 總體方案的確定2.4 數(shù)控系統(tǒng)的選擇第三章機械部分改造3.1 機械傳動方式3.2 數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的設計計算3.2.1 選擇脈沖當量：3.2.2 算切削力：3.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型橫向進給絲杠：3.3.1 計算進給牽引力Fm(N)3.3.2 計算最大動負載C:3.3.3 選擇滾珠絲杠螺母副：3.3.4 傳動效率計

4、算：3.3.5 剛度驗算3.3.6 校核3.4 齒輪傳動比計算：3.5 步進電機的計算和詵型：3.5.1 等效轉(zhuǎn)動慣量計算：3.5.2 電機力矩的計算機：3.5.3 步講電機空鼓啟動頻率和切削時的工作頻率：3.6 縱向進給系統(tǒng)3.6.1設計參數(shù)3.6.1 齒輪傳動比計算3.6.2 滾珠絲杠的計算及選擇3.6.3 校核3.7 機械部分改造3.8 主軸脈沖編碼器的安裝第四章數(shù)控系統(tǒng)選擇4.1 西門子數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點4.2 數(shù)控連線圖4.3 步進電動機的控制4.3.1 步進電動機的開環(huán)控制4.3.2 步進電動機傳動控制4.3.3 步進電動機的PLC傳動控制4.4 PLC數(shù)控系統(tǒng)需解決的問題4.5 PL

5、C輸入、輸出（I/O）點數(shù)確定4.6 驅(qū)動程序（梯形圖）設計4.6.1 總程序結構設計4.6.2 手動程序梯形圖設計4.7 電氣部分改造結論致謝參考文獻制造業(yè)是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，具發(fā)展水平標志著該國或地區(qū)經(jīng)濟的實力，科技水平，生活水準和國防實力。國際市場的競爭歸根到底是各國制造生產(chǎn)能力及機械制造裝備的競爭。隨著機械制造生產(chǎn)模式的演變，對機械制造裝備提出了不同的要求.在50年代“剛性”生產(chǎn)模式下，通過提高效率，自動化程度，進行單一或少品種的大批量生產(chǎn)，以“規(guī)模經(jīng)濟”實現(xiàn)降低成本和提高質(zhì)量的目的。從90年代開始，為了對世界生產(chǎn)進行快速響應，逐步實現(xiàn)社會制造資源的快速集成，要求機械制

6、造裝備的柔性化程度更高，采用擬實制造和快速成形制造技術1。工業(yè)發(fā)達國家都非常注重機械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進技術和工藝裝備制造業(yè)，機械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對比之下，我國目前機械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機械制造裝備基本上是通用機床加專用工藝裝備，數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重還非常低，導致“剛性”強，更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動化程度基本上還是“一個工人，一把刀，一臺機床”，導致勞動生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，要縮小我國同工業(yè)發(fā)達國家的差距，我們必須在機械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個方面就是增加數(shù)控機床在機械制造裝備中的比重1

7、。通過這次畢業(yè)設計，可以達到以下目的：1,培養(yǎng)綜合運用專業(yè)基礎知識和專業(yè)技能來解決工程實際問題的能力；2,強化工程實踐能力和意識，提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力；3,使本人受到從事本專業(yè)工程技術和科學研究工作的基本訓練，提高工程繪圖、計算、數(shù)據(jù)處理、外文資料文獻閱讀、使用計算機、使用文獻資和手冊、文字表達等各方面的能力；4,培養(yǎng)正確的設計思想和工程經(jīng)濟觀點，理論聯(lián)系實際的工作作風，嚴肅認真的科學態(tài)度以及積極向上的團隊合作精神。第一章概述數(shù)控機床可以較好地解決形狀復雜、精密、小批及多變零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，但是數(shù)控機床的應用也受到其他條件的限制。首先，數(shù)控機床價格昂貴，一次性

8、投資巨大，中小企業(yè)常是心有余而力不足；目前，各企業(yè)都有大量的普通機床。完全用數(shù)控機床替換根本不可能，而且被替代下的機床閑置起來又會造成浪費；在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)急需；要較好地解決上述問題，應走普通機床數(shù)控改造之路。低成本普通車床數(shù)控化改造是一項適合我國實際情況的先進適用技術，也是一項提升我國機床數(shù)控化率的有效途徑。在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然。由于機床以及技術的不斷進步，機床改造是個“永恒”的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術為主的新的行業(yè)。1.1 機床數(shù)控化改造的必要性從提高資本效率出發(fā)，改

9、造閑置設備，能發(fā)揮機床的原有功能和改造后的新增功能，從而提高機床的使用價值；適用于多品種、小批量零件生產(chǎn)；數(shù)控改造費用低，減少了投資額，經(jīng)濟性好。數(shù)控改造費用僅為新購一臺數(shù)控機床的15%25%,同購置新機床相比，一般可以節(jié)省75%85%的費用。力學性能穩(wěn)定可靠，結構受限。所利用的床身、立柱等基礎件都是重而堅固的鑄造，而不是那種焊接構件，改造后的機床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設備繼續(xù)使用，應此數(shù)控化改造使原有的機械結構更為簡單；熟悉了解設備、便于操作維修，降低了操作者的技術要求，更易提高管理水平；可充分利用現(xiàn)有的條件。可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設備時那樣需重新地基；可以采用最新的控制技術

10、；交貨期短，可滿足生產(chǎn)急需。機床作為機械制造業(yè)的重要基礎裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關注，由于計算機技術的興起，促使機床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導致了應用數(shù)字化技術進行柔性自動化控制的新一代機床-數(shù)控機床的誕生和發(fā)展。計算機的出現(xiàn)和應用，為人類提供了實現(xiàn)機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發(fā)展，數(shù)控機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用，同時使人們對傳統(tǒng)的機床傳動及結構的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先驅(qū)。數(shù)控機床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機床控制的機電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動

11、和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機，經(jīng)過譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。？1.2 普通機床數(shù)控改造的主要優(yōu)點1 .適應性強，適合加工單件或小批量的復雜工件；？在數(shù)控機床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工。？2 .加工精度高；？3 .生產(chǎn)效率高；？4 .減輕勞動強度，改善勞動條件；？5 .良好的經(jīng)濟效益；？6 .有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。？數(shù)控機床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機床近幾

12、年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進步，特別是在機床的高速化、多軸化、復合化、精密化方面進步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機床與先進國家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設的需要。？我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機床的平均產(chǎn)值只有先進工業(yè)國家的1/10左右，差距太大，急待改造。？舊機床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預定的加工工藝目標。？隨著數(shù)控機床越來越多的普及應用，數(shù)控機床的技術經(jīng)濟效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術改造中，機床的微機數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機床一面利用數(shù)

13、控、數(shù)顯、PC技術改造普通機床，并取得了良好的經(jīng)濟效益。我國經(jīng)濟資源有限，國家大，機床需要量大，因此不可能拿出相當大的資金去購買新型的數(shù)控機床，而我國的舊機床很多，用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機床的自動化程度，比較符合我國的國情。？1984年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。可以預料，今后，機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設計實例具有典型性和實用性。第二章？?總體方案的設計2.1 設計任務？本設計任務是對CA614W通車床工作臺進行數(shù)控改造熟悉普通車床6140的工

14、作臺基本傳動機構（橫向和縱向）。利用微型計算機改造現(xiàn)有的普通車床，主要應該解決的問題是如何將機械傳動的進給和手動控制的刀架轉(zhuǎn)位，進給改造成由計算機控制的刀架自動轉(zhuǎn)位以及自動進給的自動加工機床，即經(jīng)濟型數(shù)控車床。利用PLC對縱、橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，縱向（Z向）脈沖當量為0.01mm/t沖，橫向（X向）脈沖當量為0.005mm/t沖，驅(qū)動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架。2.2 總體方案的論證對于普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在確定總體設計方案時，應考慮在滿足設計要求的前提下，對機床的改動應盡可能少，以降低成本。？（1）數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定？：數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可

15、分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。由于要求CA6140車床加工復雜輪廓零件，所以本微機數(shù)控系統(tǒng)采用兩軸聯(lián)動連續(xù)控制系統(tǒng)。？（2）伺服進給系統(tǒng)的改造設計：數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。？因為開環(huán)控制具有結構簡單、設計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。所以，本設計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。？(3)數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設計？：任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。2.3總體方案的確定？經(jīng)總體設計方案的論證后，數(shù)控化改造設計時，在滿足車床總體布局的

16、前提下要盡可能利用原來的零部件，因此確定總體改造方案如下：(1)拆除原車床的縱向和橫向絲杠及光杠、溜板箱及掛輪箱中的齒輪，用滾珠絲杠替換原有普通滑動絲杠，將選取的縱向滾珠絲杠副通過托架安裝在原溜板箱與床鞍連接的部位上，縱橫向滾珠絲杠兩端盡可能利用原固定和支承方式。為便于安裝滾珠絲杠副，絲杠采用分體式，用套筒聯(lián)軸器實剛性聯(lián)接；(2)橫向驅(qū)動電機及齒輪減速器安裝在床鞍的后部(相對操作者)，縱向驅(qū)動電機及齒輪減速裝置安裝在機床的右端，靠近尾座的位置；(3)要實現(xiàn)自動換刀，需拆除原手動刀架，在小拖板上安裝數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架；(4)為了使改造后的車床能夠加工螺紋，需要加裝主軸脈沖編碼器，以實現(xiàn)對主軸轉(zhuǎn)速的同步

17、檢測，編碼器安裝在掛輪箱內(nèi)；(5)為使加工過程中不超程，縱橫向要安裝行程限位開關；(6)為實現(xiàn)回參考點的動作，必須在縱橫向安裝接近開關；(7)縱、橫向齒輪箱和絲杠全部加防護罩，以防臟物、油污和切屑等進入，機床整體也要加裝防護罩，以防止加工過程中的切屑飛濺傷人；(8)考慮到改造的成本，盡可能采用可靠性高的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。圖1為總體改造示意圖圖1總體改造示意圖1.橫向滾珠絲杠副2.橫向電機3.橫向減速器4.尾座5.縱向減速器6.縱向電機7.支架8.縱向滾珠絲杠副9.數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架10.王軸脈沖編碼器2.4數(shù)控系統(tǒng)的選擇選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控改造后機床要達到的各種精度、各種性能等選擇性價比合適的

18、系統(tǒng)，避免系統(tǒng)功能過剩，同時考慮到原車床的精度和改造成本、周期和難易程度等各方面因素，決定采用步進電機作為驅(qū)動元件、開環(huán)控制的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。SINUMERIK802Sbaseline是西門子公司專門為中國數(shù)控機床市場開發(fā)的經(jīng)濟型CNC控制系統(tǒng)。具結構緊湊，具有高度集成于一體的數(shù)控單元、機床操作面板和輸入輸出單元，機床調(diào)試配置數(shù)據(jù)少，容易改造成功。最終決定采用西門子經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK802Sbaseline。第三章機械部分改造3.1 機械傳動方式為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為提

19、高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結構。齒輪傳動也采用消除齒側(cè)間隙的結構。橫向進給系統(tǒng)改造橫向滾珠絲杠也采用一端固定，一端浮動，三點支承的形式，也通過雙螺母螺紋預緊方式消除絲杠和螺母間的間隙，如圖5所示。橫向步進電機1及減速器2安裝在床鞍的后部。靠近操作者一端，布置一根支撐短軸11,通過套筒聯(lián)軸器10與滾珠絲杠7連接起來。右端仍利用原支承橫向進給絲杠的滑動軸承支座作為徑向支承，并對原支承處作適當改造，布置一對推力球軸承12，以承受雙向軸向力。左端則將原車床的懸空結構改為支承結構，用一個聯(lián)軸套4和一根連接短軸6把滾珠絲杠7與減速器輸出軸3連接起來，并通過一對圓螺母5實現(xiàn)對整個絲杠的預拉伸和鎖

20、緊，以提高其軸向剛度。螺母通過螺母座9直接固定在中拖板8上。3.2 數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的設計計算3.2.1 選擇脈沖當量:根據(jù)機床精度要求選擇脈沖當量，縱向：0.01/mm步，橫向：0.005/mm步。3.2.2 算切削力：縱車外圓時主切削力Fz(N)按經(jīng)驗公式估算：Fz=0.67Dmax1.5=0.674001.5=5360N橫切端面時主切削力Fz(N)可取縱向主切削力的1/2:Fz=0.5Fz=2680N按切削力各分力比例：Fz:Fy:Fx=1:0.25:0.4Fx=26800.4=1072;Fy=26800.25=670N;3.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型橫向進給絲杠：3.3.1 計

21、算進給牽引力Fm(N)橫向?qū)к墳檠辔残危嬎悖篎m=1.4Fy+F(Fz+2Fx+G)其中：F為滑動導軌摩擦系數(shù)：0.15-0.18取0.16G為溜板及刀架重力：G=600NFm=1.4670+0.16(2860+21072+600)1806(N)3.3.2 計算最大動負載C:C=VLfwFm,其中:L=60 n T1061000Vsn=L0以上式中：L0為滾珠絲杠導程，初選：L0=5mm；Vs為最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的：1/2-1/3,取1/2;fw為運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取：fw=1.2-1.5;取1.3;L為壽命，106轉(zhuǎn)為41單位。1000Vs10000.30.5.n=

22、s=30L05,60nT603015000-L=27L106106C=3LfwFm=3271.318067043N3.3.3 選擇滾珠絲杠螺母副：根據(jù)機械設計師手冊(機械工業(yè)出版社出版發(fā)行)第一版上冊，CDM2005-2.5外循環(huán)管式墊片預緊導珠管埋入型滾珠絲杠副的額定動載荷為8541N可滿足要求，選定精度為3級3.3.4 傳動效率計算：'tgtg433=0.965tgtg43310式中：螺旋升角(CDM2005-2.5),433'摩擦角，10'3.3.5 剛度驗算000力匚5140車產(chǎn)%同送給1|g運器原理引2m苦%14。車聲慢同迸治裝里轉(zhuǎn)圈復件0000把圖完整版2電

23、跖圖222國V電罵原理圖橫向澹珠絲ri?J-J?Ec614。車盧縱向迸分空考空圖亓歌絲吉刻分畢業(yè)沒計任叁書猊明書凝息速器齒輪(3號圖)器圖以裝配哥艮裝配到山版凌配圖已現(xiàn)向融絲杠2蛆向酒糕絲杠元整版3.6.4校核(1)臨界壓縮負荷軸向固定的長絲杠在承受壓縮負荷時，應驗算其壓桿穩(wěn)定性。臨界壓縮負荷按公式(3.7)(3.8)計算：絲杠螺紋部分長度Lu65012540815mm,取Lu850mm支承跨距Li1000mm,絲杠全長L1100mm可見Fcr遠大于Fmax,臨界壓縮負荷滿足要求。(2)臨界轉(zhuǎn)速由公式(3.9)取LcL11m,滿足要求。(3)絲杠拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率760N/ m,絲杠

24、螺母的接觸剛度Kc556.25N / m,絲杠的由公式(3.10)(3.11)(3.12)已知：軸承的接觸剛度Kb最小拉壓剛度Ksmin102.5N/m(見后面計算)。螺母座剛度Kh1000N/m絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動的固有頻率：顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min,能滿足要求。(4)絲杠扭轉(zhuǎn)剛度絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度由公式(3.13)計算：由文獻7,8得：平移物體的轉(zhuǎn)動慣量為絲杠轉(zhuǎn)動慣量：扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率按公式(3.14)計算：顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min,可以滿足要求。(5)傳動精度計算導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L值分別為650m

25、mf口100mm由公式(3.15),最大與最小機械傳動剛度：最大和最小機械傳動剛度：由于機械傳動裝置引起的定位誤差據(jù)公式(3.16)對于3級滾珠絲杠，其任意300mn#程公差為12m,機床定位精度0.024mm/300mm,所以，k241/54.8m,可以滿足由于傳動剛度變化所引起的定位誤差小于(1/3:1/5)機床定位精度的要求。再加上閉環(huán)反饋系統(tǒng)的補償，定位精度能進一步提高。(6)伺服電機計算扭矩的計算1)理論動態(tài)預緊轉(zhuǎn)矩查表知3級滾珠絲杠0.9,而 Fp Fmax/3 1335.6/3 445.2(Ngm)由公式(3.17)Tpo(FpPh/2 ) (12)/ 10 32)最大動態(tài)摩擦力

26、矩對于3級滾珠絲杠,40%,由式(3.18)3)驅(qū)動最大負載所耗轉(zhuǎn)矩由公式(3.19)TaFmaxPh 10 3/24)支承軸承所需啟動扭矩查軸承表：對于20的軸承，其后0.15Ngm,貝1TbTbiTb20.150.150.3Ngm。5)驅(qū)動滾珠絲杠副所需扭矩6)電機的額定扭矩(7)電機的選擇根據(jù)以上計算的扭矩及文獻12,選擇電機型號為SIEMENS勺IFT5066,其額定轉(zhuǎn)矩為6.7 Ngmo6.8 機械部分改造(1)橫向進給系統(tǒng)改造橫向滾珠絲杠也采用一端固定，一端浮動，三點支承的形式，也通過雙螺母螺紋預緊方式消除絲杠和螺母間的間隙，如圖5所示。橫向步進電機1及減速器2安裝在床鞍的后部。靠

27、近操作者一端，布置一根支撐短軸11,通過套筒聯(lián)軸器10與滾珠絲杠7連接起來。右端仍利用原支承橫向進給絲杠的滑動軸承支座作為徑向支承，并對原支承處作適當改造，布置一對推力球軸承12，以承受雙向軸向力。左端則將原車床的懸空結構改為支承結構，用一個聯(lián)軸套4和一根連接短軸6把滾珠絲杠7與減速器輸出軸3連接起來，并通過一對圓螺母5實現(xiàn)對整個絲杠的預拉伸和鎖緊，以提高其軸向剛度。螺母通過螺母座9直接固定在中拖板8上。(2)縱向進給系統(tǒng)改造：縱向進給傳動系統(tǒng)的改造如圖2所示。縱向步進電機1通過一對減速齒輪2把動力傳遞給縱向滾珠絲杠3，再由滾珠絲杠螺母副拖動工作臺4做往復移動。原車床的進給箱保留，滾珠絲杠左端

28、仍然采用原固定支承結構，支撐軸6通過套筒聯(lián)軸器5與滾珠絲杠相連，這種聯(lián)軸器用2個互相垂直的錐銷將支撐軸與絲杠聯(lián)接起來，結構簡單，徑向尺寸小，可防止被連接軸的位移和偏斜帶來的裝配困難和附加應力。如圖3所示,滾珠絲杠右端仍利用原有的滑動軸承承座4,通過一對深溝球軸承1實現(xiàn)徑向支承，絲杠左端通過一對圓螺母(圖中未畫出)實現(xiàn)滾珠絲杠的預拉伸和鎖緊。因此縱向滾珠絲杠的支承形式為一端固定，一端浮動，三點支承。滾珠絲杠采用雙螺母螺紋預緊方式消除絲杠和螺母間的間隙，調(diào)整方便。步進電機通過消隙齒輪2減速，減速器輸出軸用套筒聯(lián)軸器6與絲杠3(見圖2)聯(lián)接，固定銷3防止減速器轉(zhuǎn)動。6.9 主軸脈沖編碼器的安裝為了使

29、改造后的車床能自動加工螺紋，必須配置主軸脈沖編碼器作為車床主軸位置信號的反饋元件，其目的是用來檢測主軸轉(zhuǎn)角的位置，通過主軸一脈沖編碼器一數(shù)控系統(tǒng)一步進電機的信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架縱向移動一個導程的車螺紋運動。主軸脈沖編碼器的安裝，通常采用2種方式：同軸安裝；異軸安裝。同軸安裝的結構簡單，缺點是安裝后不能加工穿出車床主軸孔的零件，限制了零件的加工長度，因此，宜采用異軸安裝。主軸通過主軸箱中58P58和33P33兩級齒輪（實現(xiàn)傳動比1:1）把動力傳遞給掛輪軸X,主軸編碼器1通過支架2固定，并通過聯(lián)軸器3與悶頭4相連，悶頭4通過過盈配合與主軸箱內(nèi)軸X連接，如圖6所示第四章數(shù)控系統(tǒng)選擇4.

30、1西門子數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點西門子數(shù)控系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能，設計中選擇SINUMERIK802阻號。其控制器：具有免維護性能的SINUMERIK802D其核心部件-PCU（面板控制單元）將CNCPLG人機界面和通訊等功能集成于一體。可靠性高、易于安裝；SINUMERIK802DT控制4個進給軸和一個數(shù)字或模擬主軸。通過生產(chǎn)現(xiàn)場總線PROFIBUS等驅(qū)動器、輸入輸出模塊連接起來；模塊化的驅(qū)動裝置SIMODRIVE611Ue套1FK6系歹伺服電機，為機床提供了全數(shù)字化的動力。通過視窗化的調(diào)試工具軟件，可以便捷地設置驅(qū)動參數(shù)，并對驅(qū)動器的控制參數(shù)進行動態(tài)優(yōu)化；SINUMERIK802DB成了內(nèi)置PLC系統(tǒng)，

31、對機床進行邏輯控制。采用標準的PLC的編程語言Micro/WIN進行控制邏輯設計。并且隨機提供標準的PLC子程序庫和實例程序，簡化了制造廠設計過程，縮短了設計周期。CNC功能：控制車床、鉆銃床；可控制4個進給軸和一個數(shù)字或模擬主軸；三軸聯(lián)動，具有直線插補、平面圓弧插補、螺旋線插補、空間圓弧（CIP）插補等控制方式；螺紋加工、變距螺紋加工；旋轉(zhuǎn)軸控制；端面和柱面坐標轉(zhuǎn)換（C軸功能）；前饋控制、加速度突變限制；程序預讀可達35段；刀具壽命監(jiān)控；主軸準停，剛性攻絲、包線速切削；FRAM助能（坐標的平移、旋轉(zhuǎn)、鏡象、縮放）操作單元：單色10.4"TFT顯示器，彩色為選件；全功能數(shù)控鍵盤具有水

32、平安裝方式，和垂直安裝方式；標準機床控制面板（選件）；三個手輪接口；RS232串行接口；生產(chǎn)現(xiàn)場總線接口；標準鍵盤接口；PC卡插槽（用于數(shù)據(jù)備份和批量生產(chǎn)）操作與顯示：帶有8個水平軟鍵和8個垂直軟鍵的直觀操作；對刀及刀具測量，工件坐標系測量，基本坐標偏移；MDAJ式端面加工；程序段搜索運行；坐標軸鎖定、快速空運行；后臺編程；加工外部程序（通過串行接口）；示波器、袖珍計算器、和工件計數(shù)器；兩種語言在線切換；16種語言可選擇安裝；在線公英制切換；機床坐標系、工件坐標系、和相對坐標系顯示；加工軌跡實時顯示（可辨認快速和加工軌跡）；在線幫助；有效G功能和M功能顯示；坐標位置、余程以及各軸速度顯示零件編

33、程：標準G代碼編程（DIN66025）和西門子高級語言編程；ISO標準編程；車削、銃削工藝循環(huán)編程；藍圖編程；極坐標編程；程序存儲器容量達340K字節(jié)PLC:采用標準的S7-200編程語言Micro/WIN;梯圖編程；梯圖在線顯示；PLC遠程診斷；完全漢化的PLC編程工具隨機提供；隨機提供PLC子程序和用于車床銃床的PLC應用程序?qū)嵗籔LC的處理速度是6000步/24毫秒；40個定時器，32個計數(shù)器；數(shù)字輸入輸出為144/96。4.2數(shù)控連線圖其連線圖如圖2.1所示。圖2.1數(shù)控系統(tǒng)連線4.3步進電動機的控制步進電動機的工作過程一般由控制器控制，控制器按照設計者的要求完成的一定控制過程，按照

34、要求的規(guī)律驅(qū)動電動機運行。簡單的控制過程可以用各種邏輯電路來實現(xiàn)，但其缺點是線路復雜，控制方案改變困難；自從微處理器問世以來，給步進電動機控制器設計開辟新的途徑。各種單片機的迅猛發(fā)展和普及應用，為設計功能很強而價格低廉的步進電動機控制器提供了先進的技術。4.3.1 步進電動機的開環(huán)控制使用微機對步進電動機進行控制有用行和并行兩種方式1、串行控制這種系統(tǒng)中,具有申行控制功能的單片機系統(tǒng)與步進電動機驅(qū)動電源之間具有較少的連線。驅(qū)動電源必須含有環(huán)行分配器。這種控制方式的功能框圖如圖3.25所示。圖3.25用行控制功能框圖2、開環(huán)控制用微機系統(tǒng)的數(shù)條端口線直接去控制步進電動機各相驅(qū)動電路的方法稱為并行

35、控制。在電動機電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，而其功能必須由微機系統(tǒng)完成。由系統(tǒng)是想脈沖分配器的功能又有兩種方法：一種是軟件法，即全用編程來實現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導通或截止的控制信號，主要有寄存器移位法和查表法；第二種是軟件、硬件結合的方法，有專門設計的編PpflPll803】P1?k1巴I,騏動器電路相相相和相ABcDE|、23_4i/s0碼數(shù)據(jù)，而 信號。并控3. 26并行3、步進電動機速度控制程器接口，計算機相接口輸出簡單形式的代接口輸出的是電動機各相導通或截止的控制制方案的功能框圖如圖3.26所示控制功能框圖系統(tǒng)可用控制電動機的運行速度，實際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖頻率或者換相的周期。

36、兩種方法來確定脈沖的周期：一種是軟件延時，另一種是用定時器。軟件延時的方法是通過調(diào)用延時子程序的方法實現(xiàn)的，它占用CPUH問；4、步進電動機的加減速控制從起點至終點 的速度小于系定時器方法是通過設置定時時間常數(shù)的方法來實現(xiàn)的。對于步進電動機的點一位控制系統(tǒng)，的運行速度都有一定要求。如果要求運行圖3.27點-位控制的加減法過程統(tǒng)極限起動頻率，則系統(tǒng)可以按要求的速度直接起動，運行至終點后可直接停發(fā)脈沖用而令其停止。系統(tǒng)在這樣的運行方式下速度可認為是恒定的。但在一般的情況下：系統(tǒng)的極限起動頻率是比較低的，而要求的運行速度往往很高。如果系統(tǒng)以要求的速度直接起動，因為該速度已經(jīng)超過極限起動頻率而不能正常

37、起動，可能發(fā)生丟步或根本不能運行起來之后，如果到達終點時突然停發(fā)脈沖用，令其立即停止，則因為系統(tǒng)的慣性原因，會發(fā)生沖過終點的現(xiàn)象，使點一位控制發(fā)生偏差。因此在點一位控制過程中，運行速度都需要有一個“加速一恒速一減速一低恒速一停止”的加減速過程，如圖3.27所示。各種系統(tǒng)在工作過程中，都要求加減速過程時間盡量短，而恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中，從起點至終點運行的時間要求最短，這就必須要求加速、減速的過程最短，而恒速時的速度最高。升速規(guī)律一般可有兩種選擇：一是按照直線規(guī)律升速；二是按指數(shù)規(guī)速時加速度為恒定，因此要求步進電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。從電動機席轉(zhuǎn)速不是很高的范圍內(nèi)，輸出的轉(zhuǎn)

38、矩將有所下降，如按指數(shù)規(guī)律升速，加速電動機輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。用微機對步進電動機進行加減速控制，實際上就是改變輸出脈沖的吁沖用逐漸加密，減速時使脈沖用逐漸疏稀。微機用定時器中斷方式來控銀就是不斷改變定時器裝載值的大小。一般用離散方法來逼近理想的升降；計算裝載值的時間，系統(tǒng)設計時就把各離散點的速度所需的裝載值固化宅運行中用查表方法查出所需的裝載值，從而大大減少占用CPU時間，提高系統(tǒng)在執(zhí)行升降速的控制過程中，對加減速的控制還需準備下列數(shù)圭|升速過程的總步數(shù)；恒速運行總步數(shù)；減速運行的總步數(shù)。對升降速過程的控制有很多種方法，軟件編程也十分靈活，技巧很多。集成電路也可實現(xiàn)升降速控制，但缺點是實

39、現(xiàn)起來較復雜且不靈活。4.3.2 步進電動機傳動控制在進給伺服系統(tǒng)中，步進電動機需要完成兩項任務：一是傳遞轉(zhuǎn)矩，它應克服機床工作臺與導軌間的摩擦力及切削阻力等負載轉(zhuǎn)矩，通過滾珠絲杠帶動工作臺，按指令要求快速進退或切削加工是傳遞信息，即根據(jù)指令要求精確定位，接收一個脈沖，步進電動機就轉(zhuǎn)過一個固定的角度，經(jīng)過傳動機構驅(qū)動工作臺，使之按規(guī)定方向移動一個脈沖當量的距離。因此指令脈沖總數(shù)也就決定機床的總位移量，而指令脈沖頻率決定了工作臺的移動速度。每臺步進電動機可驅(qū)動一個坐標的伺服機構，利用兩個或三個坐標軸連動就能加工出一定形狀來。圖3.33所示為數(shù)控銃床工作原理框圖。在這種開環(huán)數(shù)控機床中，由于計算機的

40、速度精度都很高，完全能滿足數(shù)控機床高速度、高精度的要求；因而數(shù)控機床的精度好壞和速度快慢完全取決于步進電動機的伺服系統(tǒng)性能。只要步進電動機伺服系統(tǒng)的選擇及應用圖3.33數(shù)控銃床工作原理框圖得當，可以滿足一般數(shù)控銃床速度和精度的要求。下面介紹步進電動機伺服系筆控立式升降臺銃床中的應用實例。(1) 機床的功能及主要參數(shù)XK5040數(shù)控立式銃床，適用于加工各種復雜曲線的凸輪、樣板、靠模、弧形槽等平面或立體零件。1 ）機床主要參數(shù)工作臺尺寸（長X寬）：1600mmX400mm工作行程：縱向（x坐標）900mm橫向（y坐標）400mm垂向（z坐標）300mm主軸速度：400200r/min,18級工作臺

41、進給速度：101200mm/min快速進給速度：1200mm/min定位精度：x、y坐標0.02/300mmz坐標0.03/300mm系統(tǒng)精度：x、y坐標±0.01mm坐標±0.015mm加工精度及表面粗糙度：±0.05mm,Ra<2.52）數(shù)控部分主要參數(shù)伺服控制方式：開環(huán)控制坐標數(shù)：三坐標（同時控制坐標）插補原理及方式：逐步比較法及直線圓弧插補數(shù)字記憶方式：增量法脈沖當量：0.005mm方最大指令值：圓弧2500turn/程序數(shù)直線5000ram/程序數(shù)刀具位置補償裝置：刀具半徑范圍0050眥n反向間隙補償：0.075mm輸入代碼：ISO制，8位紙帶50

42、行/s伺服驅(qū)動電動機：功率步進電動機自動升降頻時問：r：130111s（2）伺服驅(qū)動系統(tǒng)特點1）本機主要特點是x、y、z三坐標均采用功率步進電動機，經(jīng)過兩對齒輪減速器直接驅(qū)動進給絲杠。x、y坐標各選用一臺160BF6X1.5IOOCffl步進電動機；z坐標選用一臺16BF6X1.5300D型步進電動機。2）三坐標功率步進電動機均采用300/12V高頻晶閘管驅(qū)動電源，通電方式為三相六拍。該驅(qū)動電源采用單脈沖定能量驅(qū)動，切換能力強，重復工作頻率高，并有較好的起動性能和帶負載能力。3）銃床在自動升降頻過程中，可以切削加工。為了保證刀具移動的實際軌跡與指令一致，必須使聯(lián)動各坐標的升降頻時間嚴格相等。一

43、般均采用數(shù)字式升降頻電路。本系統(tǒng)采用了固定時間常數(shù)的指令型升降頻電路。系統(tǒng)電路圖從略。(3)應用效果禾進給系統(tǒng)采用功率步進電動機開環(huán)驅(qū)動，達到了設計標準。經(jīng)過實測，加工的100nlm的圓度公差在0.04mm以內(nèi)，加反向間隙補償后可控制在0.02nlm0.03mm范圍內(nèi)。表面粗糙度Ra<2.5。2)采用了手動快速和r=130ms的自動升降頻電路，切削進給速度可達1.2m/min；快速進給可達到2m/min,達到了數(shù)控銃床速度要求。4.3.3 步進電動機的PLC傳動控制步進電動機的傳動控制完全可以用PLC的應用技術來實現(xiàn)。如36BF02型反應式步進電動機，其電壓為27V,每相靜態(tài)電流為0.5

44、A,采用三相六拍通電方式，可用第2章介紹的F1系列PLC實現(xiàn)其轉(zhuǎn)速控制、正反轉(zhuǎn)控制和步數(shù)控制。(1)接線圖和控制程序梯形圖按照PLC應用的設計步驟，根據(jù)三相步進電動機傳動控制的實際需要，設計出PLC控制系統(tǒng)的實際接線圖，如圖3.34所示。設計的PLC梯形圖程序如圖3.35所示。圖3.34三相步進電動機PLC傳動控制接線圖(2)電動機運行控制將圖圖3.35三相步進電動機PLC傳動控制梯形圖程序3.35所示的三相步進電動機傳動控制梯形圖程序轉(zhuǎn)換為指令字程序?qū)懭隤LC主機并模擬動作運行成功后，即可接人步進電動機，合上SA帶負載運行。(0.1s)步進電1)轉(zhuǎn)速控制。接通快速開關S1,再接通起動開關SQ

45、脈沖控制器產(chǎn)生周期為0.1S的脈沖，使位移產(chǎn)生六拍時序脈沖。通過三相六拍環(huán)行分配器使三個輸出繼電器照單雙六拍的通電方式接通，其接通順序在電動機正轉(zhuǎn)時為：Y430(0.1s)Y430.Y431(0.1s)Y431(0.1s)Y431.Y432(0.1s)Y432Y432.Y430。佰)Y430動機繞組的通電順序為:U (0.1s) V、U(0.1s) V (0.1s)V、W (0.1s) W (0.1s) WV (0.1s)斷開輸入開關S0、S1,接通慢速1開關s2后，再接通起動開關SOo脈沖控制器產(chǎn)生周期為10s的控制脈沖，輸出繼電器Y43。Y431、Y432接通順序不變，但間隔時間增長為1s

46、,步進電動機轉(zhuǎn)速減慢。斷開輸入開關S2、S0,接通慢速2開關s3后，再接通起動開關S0o脈沖控制器產(chǎn)生周期為10s出繼電器Y43OY431、Y432接通順序不變，但間隔時間增長為10s,步進電動機轉(zhuǎn)速更慢。2）反轉(zhuǎn)控制。斷開輸入開關S&SQ接通正反轉(zhuǎn)開關S4后，再次重復上述快速、慢速1、慢速2、的三個輸出繼電器Y43RY431、Y432的順序為：Y431Y43RY43gY43gY43RY432-Y432Y432、Y431Y431步進電動機繞組的通電順序為：V-V、UUU、VW>WWVV該通電順序與前面介紹的正轉(zhuǎn)時通電順序正好相反，它對應于步進電動機的反轉(zhuǎn)運行。3）步數(shù)控制將全部輸

47、入開關斷開，然后接通步數(shù)開關（若選擇10步控制，則接通S7;若選擇100步控制，則接通S6）;再接通起動開關SO,使移動寄存器的數(shù)據(jù)輸入端接通。設轉(zhuǎn)速控制選擇為速度1,則接通S2,起動脈沖控制器產(chǎn)生周期為1s的控制脈沖；六拍時序脈沖分配器開始工作；計數(shù)器同時開始計數(shù)。當走完預定步數(shù)時，計數(shù)器動作，具動斷接點斷開移位寄存器的移位輸入端，六拍時序脈沖、三相六拍環(huán)形分配器及正反轉(zhuǎn)驅(qū)動停止工作，步進電動機停轉(zhuǎn)，鎖存在最后一步的位置上。改變PLC的控制程序，可實現(xiàn)步進電動機靈活多變的運行方式。4.4 PLC數(shù)控系統(tǒng)需解決的問題車床的操作過程比較復雜，而PLC一般只適用于動作的順序控制。要將PLC用于控制

48、車床動作，必須解決三個問題：1）如何產(chǎn)生驅(qū)動伺服機構的信號及X、Z向動作的協(xié)調(diào)；2）車螺紋如何實現(xiàn)內(nèi)聯(lián)系傳動及螺紋導程的變化；3）如何改變進給系統(tǒng)數(shù)度。將PIC及其控制模塊和相應的執(zhí)行元件組合，這些問題是可以解決的。數(shù)控系統(tǒng)的控制原理普通車床數(shù)控化改造工作就是將刀架，X,Z向進給改為數(shù)控控制。根據(jù)改造特點，伺服元件采用步進電機，實行開環(huán)控制系統(tǒng)就能滿足要求。Z向脈沖當量取0.01mmX向脈沖當量取0.005mm選用晶體管輸出型的PLG驅(qū)動步進電機脈沖信號由編程產(chǎn)生，通過程序產(chǎn)生不同頻率脈沖實現(xiàn)變速。X,Z向動作可通過輸入手動操作或程序自動控制。車螺紋的脈沖信號由主軸脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，通過與電路接

49、入PLC輸入端，經(jīng)PLC程序變頻得到所需導程的脈沖。刀架轉(zhuǎn)位，車刀進，退可由手動或自動程序控制。圖1為數(shù)控系統(tǒng)原理圖軍映坤nc脈沖nr號正反桂仲郎Bt控系統(tǒng)原理圖4.5 PLC輸入、輸出（I/O）點數(shù)確定所設計的車床操作為：起點總停，Z,X,向快進，工進，快退；刀架正，反轉(zhuǎn)；手動，自動，單步，車螺紋轉(zhuǎn)換。因此，輸入需14點。根據(jù)圖1得輸出需9點。I/O連接圖如圖2所示（以三菱F1S-30MT為例。4.6 驅(qū)動程序（梯形圖）設計4.6.1 總程序結構設計手動，自動，單步，車螺紋程序的選擇采用跳轉(zhuǎn)指令實現(xiàn)。圖3是總程序結構框圖。若合上X12（X13,X14,X15斷開），其常閉斷開，執(zhí)行手動程序；

50、若X12斷開，X13合上，程序跳過手動程序，指針到P0處，執(zhí)行自動程序。4.6.2 手動程序梯形圖設計手動程序，自動程序需根據(jù)具體零件設計，這里僅以Z向快進，工進，快退的動作為例加以說明。其梯形圖如圖4所示。在執(zhí)行手動程序狀態(tài)下，按X0,Y1接通，做好起動準備。按X2,輔助名8電器M哦通。通過T63計時及Y2觸點組合，產(chǎn)生頻率為103的脈沖信號（i為計時時間，根據(jù)需要設定，單位為m§,驅(qū)動Z向快進。當按下X3時（M0斷開），M1接通，M1與定時器T32組合使Y2產(chǎn)生頻率為103/2j的脈沖（j>i），由Y2輸出，實現(xiàn)工進。按下X4時，M0,Y3同時接通，電機快速反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)快退。4.7 電氣部分改造電氣控制線路主電路如圖7所示,QF1QF4為空氣開關，F(xiàn)U為熔斷器，對電路實現(xiàn)短路保護。M1為7.5kW主電機，選擇三菱FR-A540-7.5K-CH變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速，交流接觸器KM1控制變頻器的通電和斷電。當變頻器無故障時,B端觸頭閉合，KM1吸合，變頻器通電；當變頻器有故障時,B端觸頭斷開,KM1線圈失電，其常開觸頭斷開，變頻器自動斷電，同時A端觸頭閉合，報警燈HL顯示報警。FR1為熱繼電器，對主軸電機實現(xiàn)過載保護，RC1為三相滅弧器，