專用數控刻線機機構設計Mechanismdesignofspecialncmarkingmachine專用數控刻線機機構設計Mechanismdesignofspecialncmarkingmachine摘要近年來，國家在工業生產環節中對于生產過程對于環境的保護要求越來越嚴格，使得許多傳統的加工方法在環境保護方面不滿足要求，需要技術創新。而企業內使用的刻線機還沒有實現自動化、低污染。由于當時設計設計時電氣技術的不成熟，在使用多年后電氣故障頻出且檢修頻繁，難以滿足現代公司對于其生產加工要求。為了解決上述問題并實現自動化控制，本設計采用可編程控制方法解決上述問題。本文通過研究了專用刻線機，設計了刻線機機械機構，并且通過對PLC機床控制有關資料進行分析、學習，提出通過PLC控制刻線機部件實現刻線機自動控制。這對于實現機床自動化，控制公司生產成本，在現有的資源下使得資源利用可以得到最大的利益，對于需要刻線機的公司有重要的現實意義。本設計在通過對于平尺刻線機及PLC控制機床原理經行深入分析，完成了專用數控刻線機機構的設計及PLC控制部分。PLC控制設計其移動精度在0.001μm，刻線全程累積誤差小于±0.05mm，滿足設計任務要求。關鍵詞:刻線機構；PLC控制；移動工作臺

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目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第一章緒論 第一章緒論1.1課題的背景和意義我國提出的中國制造2025中明確指出，制造業是我國的支柱性產業，而要提高制造業生產基礎，首先要提高技術基礎使數控技術實現自動化、一體化滿足現代工業的要求，同時也為了提高我國勞動生產率以及生產產品質量。因此我國新階段注重實現數控機床的控制技術，使其盡快實現經濟型、自動化。這對于實現我國中國制造2025，提高我國數控機床在生產中的加工效率有重要意義。[1]由于近年來我國對于數控機床行業的重視。使得我國數控方面發展迅速。但是數控機床在精度方面與發達國家相比還是具有很大差距，如美國、德國等發達國家。我國數控機床除了在精度方面有所差距外，在機床功能部件的性能也有所差距。機床基礎設施與發達國家的差距，也影響國內數控機床在生產產品時的加工精度、質量，同時對于機床的動、靜態性能也有一定影響。目前，機床的基本結構設計大多是基于經驗設計或類比法。隨著機床向高速、高精度方向發展，傳統的數控機床已不能滿足高精度、輕量化的要求。為了滿足現代工業對數控機床的要求，數控系統的由于需求而產生。前期控制主要是由繼電器和接觸器進行組合控制，PLC(ProgrammableLogicController)控制系統是以此為基礎發展而成。最近幾年，由于微機處理芯片及相關元器件價格大幅下跌，同時，PLC功能得到了很大的發展，使得PLC的應用范圍迅速擴大。[2]目前，PLC在工業領域得到了廣泛的應用。PLC由于其自身的特點使得在數控方面也有了極大的發展，目前，根據工程實踐需要，數控技術應該積極發展開放式數控系統。以PLC控制機構，利用軟件控制PLC，實現其功能。[3]1.2刻線機國內外研究現狀1.2.1國內研究現狀1952年，我國在蘇聯的幫助下建立了哈爾濱量具廠，第一臺用于游標卡尺刻線的機床也是從蘇聯引進。[4]測量工具的刻線主要由刻線機完成。由于測量工具的特殊性，要求刻線機的精度必須滿足使用條件。在早期由于技術原因刻線機采用純機械控制，刻線機以機械傳動來保證工作中的精度。在工作中，其移動工作臺由絲杠配合電機來進行移動控制。螺紋傳動絲杠移動一個單位，機械傳動裝置帶動刀具機構，刻刀隨著刀具機構移動完成尺身刻線。由于刻線機為純機械式結構，其刻線的精度取決于主軸傳動絲和主要零部件的精度，為了保持其加工精度。所以要求其主軸傳動絲杠及其零部件精度要求極高，導致主軸傳動絲杠及其零部件加工難度增大，由于，其傳動裝置采用純機械傳動，導致其刻線速度較慢，而刻線方式屬于刀具與工件直接接觸式加工。由于磨損原因，刀具在長時間刻線后會造成其寬刻線寬度不一致。為了解決這一問題，刻線機廠家將激光標刻技術應用于刻線機，采用激光刻線，避免了刀具與工件接觸，解決了刀具接觸工件加工的磨損問題，使得刻線精度得到極大的提升。其以前由于刀具磨損，導致的刻線不均勻得到了完全了解決。在近年來，由于數控技術的進入，使得我國機床逐漸進入數控化，國內廠家通過與國外著名刻線機廠家的合作，從而實現新技術引進，并對于國外的樣機進行消化吸收，從而使得我國刻線機現在的種類及其質量得到了全面提升，也進入了我國的機床數控技術時代。1.2.2國外研究現狀、第一臺數控機床誕生于1952年，它是帕森斯有限公司聯合世界名校麻省理工發明。這個時間也代表著數控機床誕生。但是由于當時的技術問題。該數控機床的控制裝置結構復雜，控制裝置由脈沖倍增器內插，可靠性低且使用不便、維修造價昂貴。因此，在前期數控系統并沒有得到大范圍的是使用及在制造業的生產加工也沒有得到極大提高。在數控機床誕生初期，第一代采用了電子管完成了數控系統，但其造價高、使用壽命短并沒有大范圍得到使用，隨著技術的發展集成電路開始在數控系統中得到應用，而計算機技術為數控系統帶來了騰飛，使得數控系統更新極快。現階段，國外刻線機大部分是采用PLC控制，數控系統采用現代的微處理數控系統。現代激光刻線機為了在滿足使用條件的前提下，盡可能的節約空間，設計時采用傳動齒輪直徑減小，軸之間的距離也縮短，在節約機構空間的同時使得機器效率得到保持。1.3可編程邏輯控制器的產生和發展1969年PLC誕生到現在短短51年，但是PLC發展卻十分迅速并且應用技術也十分廣泛。PLC通過三段發展歷程，形成了現階段的微電子處理。[7]1.PLC初期PLC技術來源于傳統的繼電器控制(EZLC)。繼電控制系統在初期不僅僅體積巨大，在實際工作中可靠性也達不到人們的要求，產生故障難以發現和排除、接線復雜、零件更換麻煩，在使用過程中對于生產變化難以適應。1969年，由于微電子領域和計算機領域的高速發展，世界上第一臺可編程控制器誕生，美國DEC公司將它命名為PDP-14，公司在PDP-14通過測試后投入到通用汽車的自動裝配線，運行效果良好。早期的PLC解決了繼電器體積以及可靠性等問題，而且在實際使用中相比繼電器安裝更加方便，PLC能耗相對更低、可重復使用，基于這些優點，使得早期PLC優于繼電器。但在控制方面早期PLC功能相對簡單只能滿足邏輯控制、定時、計數等基本功能。而梯形圖語言是PLC從初期就開始使用一直到今天。2.PLC的中期發展時代20世紀70年代初期微處理器誕生，在70年代中期人們將其應用到PLC，由于微處理器的應用，PLC在基礎控制功能上添加了算術運算、數據傳輸、處理等功能。隨著控制功能的增加為了滿足控制要求，對于PLC硬件也有所發展增加了模擬模塊、I/O模塊，同時對于儲存量方面也有所提升。PLC還新增了數據寄存器，這些改變使得其應用范圍與初期PLC相比更加廣闊。3.PLC現狀隨著現代計算機技術的發展，PLC在其發展的基礎上，也得到了一定的提升，主要提升體現在微處理器方面，技術是提升使得PLC無論是軟件還是硬件都有不同改變。目前，可以發現最新的64位微處理器也應用于大型PLC，現代PLC與初期相比不僅僅是在控制能力方面有所提升，對于PLC的功能也得到了極大的發展。相比于前期PLC，采用微處理器控制的PLC無論是可靠性、功耗、體積都有所降低，其經濟性更加實用。[10]同時，更具有數據處理和圖像顯示功能，PLC也新增了邏輯控制、過程控制、運動控制等功能。使得PLC應用范圍更加廣闊，可靠性也得到了極大的提升。[11]1.3.1編程邏輯控制器的特點PLC經過近50年的發展，其功能不斷增強，逐漸呈現出以下幾個方面的特點[6-14]1.可靠性高，抗干擾能力強在控制工程中，干擾一直是控制工程的難點。PLC為了提高其抗干擾能力，在硬件和軟件上都積極地采取了各種辦法來進行提高PLC的抗干擾能力。同時，增加了PLC的自我診斷功能，能及時對于故障信息給予返饋，并且停止運動，等待維修。2.通用性強，控制程序可變，使用方便硬件:PLC經過發展系列齊全，對于工業使用來說能夠滿足大部分客戶需要。軟件程序:PLC軟件可以根據要求不同而編寫符合自身要求的程序，實際使用中只要硬件符合生產線，在PLC軟件改變后，不需要對相應機構進行改變，對于流程改變來說，也僅僅只有編寫符合要求的程序就可以了。基于這種特點PLC，除了單片控制的應用以外，在其工廠中的自動化控制生產線中也得到了廣泛應用。3.功能強，適應面廣現代PLC不僅具有傳統功能，而且在傳統功能的基礎上新增通訊、人機對話、自檢等新功能。現代PLC加強的不僅僅是通訊及自檢方面的功能，在控制方面也有了很大的進步，在控制中不在是以前的點對點控制，現在可以通過PLC對于整個加工環節進行控制。而且PLC隨著計算機以及微電子技術的發展，PLC應用范圍相信會越來越廣泛。4.編程簡單，容易掌握初期PLC的編程語言為梯形圖編程。這種編程語言可以清晰直觀的表達控制電路。而且初期PLC即為梯形圖語言控制，同時梯形圖直觀清晰。因此大數電氣工人的閱讀習慣和編程都采用梯形圖編程。所以梯形圖是大多數PLC用戶使用的編程語言，同時，梯形圖與傳統繼電器控制電路原理圖非常相似，方便用戶容易學習和掌握。但PLC梯形圖在實際運行中，首先使用內部解釋器將其轉換為匯編語言，然后再進行執行項目，由此可以發現其執行時間相比與匯編語言有所延遲。但是對于大多數控制設備來說這點時間，對于使用來說其影響可以忽略不計。5.減少了控制系統的設計及施工的工作量PLC在發展中為了滿足多變的工作環境，對于硬件進行了不斷的改變，在后期用軟件編程代替了一部分硬件，使得現在PLC相比以前整體安裝更為簡單、不需要太多的線路，而軟件編程可以按照要求編寫，節約了大量的成本。同時，可以在明確控制要求后，進行搭建模擬，對于出現故障后，采用計算機處理，并且對于PLC程序進行仿真和調試，節約現場時間。現代PLC還具有安裝方便、可靠性高、監控力強及模塊化設計使得其應用范圍廣泛。6.體積小、重量輕、功耗低、維護方便PLC由于微電子技術的應用，PLC控制器結構緊湊、功能多樣且功耗低等特點。與傳統繼電器相比PLC是理想的控制裝置。以西門子s7-200cpu211為例，其外形尺寸90×80×62mm，數控儲存器2048字節。同時，為了更好的滿足工業生產應用，s7-200系列含有多種類型的擴展模塊。1.3.2PLC在數控系統上的應用PLC的出現和應用,顯示出巨大的技術和經濟效益,引起了各個國家的注意,國家開始重視對于PLC的研究和開發。PLC基于這種條件下，其設備的型號以及系列發展迅速，應用范圍擴大到包括機床在內的各個工業領域。[15]在20世紀70年代，數控機床中的自動化控制開始采用PLC控制。到20世紀80年代，高性能數控機床中都已出現PLC的身影。目前，現代控制系統中PLC已經成為了必備的控制裝置之一。而在數控機床中PLC按照類型可以獨立式PLC和鑲嵌式PLC也可以叫內裝式PLC。內裝式PLC是數控系統廠家為數控機床制造設計的PLC與數控系統為一體。1.內裝型PLC內置的PLC實際上是一個具有PLC功能的數控設備，它存在于數控系統內部，不能與數控系統分開獨立完成控制要求。[17]內置PLC的性能指標(如I/O點,程序執行的最大數量的步驟,每一步的執行時間,程序掃描時間、功能指令的數量等等)是由規格、性能都與數控機床相匹配的系統處理。內裝型PLC其軟件與硬件是一體，內裝型PLC是完成數控系統的基本硬件。內裝型PLC與獨立型相比較它的結構更加緊湊。PLC功能與機床更加匹配，技術指標可以達到較高的要求。而內置型PLC多用于加工中心。內置PLC隸屬于數控設備，具有以下特點:內置型PLC在系統結構上有兩種模式，內置型PLC單獨使用一個

CPU，第二個種內置的PLC與宇數控系統共同使用一個CPU，內置PLC一般是由一塊附加電路附加在數控主板上。采用數控系統的I/O接口。用于PLC控制部分和電路部分的電源(一般為輸入電源，配置輸出電源)由數控設備提供，不提供附加電源。PLC內置PLC結構，數控系統可以有一些先進的PLC控制功能，比如梯形圖顯示編輯及狀態監控功能。目前，世界上的數控制造商在自己生產的數控系統中，大部分都開發了內置的PLC功能。例如三菱的A700系列、丹佛斯、富士的VG7、西門子的Sinumerik820/820;AB公司的8200、8400、8500等國內華中數控和廣州數控也有相應的內置PLC。與國外的嵌入式PLC相比，國內的嵌入式PLC技術仍有相當大的差距。2.獨立型PLC獨立型PLC是與數控裝置相互獨立的一套PLC系統，具有獨立的軟件和硬件能夠憑借自身完成控制任務。獨立型PLC相比與內置型PLC具有以下特點：獨立PLC的基本功能結構與內置PLC完全相同。數控機床如果采用獨立PLC，一般型號選用中型或者大型。同時根據工作需要I/O點數一般選擇200左右，獨立PLC使用安裝方便，便于擴展可以通過可以通過輸入輸出模塊，按照實際需求添加配置。為了實現大規模集中控制，一些獨立PLC可以通過網絡端輸入/輸出通過獨立PLC內置的連接器進而控制PLC。實現集中控制。[18]通過分析獨立PLC和內置PLC的優缺點，發現數控內置PLC的優點比獨立PLC更加突出，更容易實現數控系統對于控制功能的要求。因此，本文打算采用的數控系統的PLC也選擇為嵌入式PLC。1.4課題的目的和研究意義裝備產業發展程度與國民經濟的水平有著很大的關系，裝備產業的發展在一定情況下可以反映出國民經濟的水平。而數控機床作為裝備產業發展的最基礎設備，其數控機床的技術含量、加工水平、機床數量已經成為衡量國家裝備產業現代化發展水平的重要指標之一。由于技術原因我國的高精度數控機床，大部分采用進口的方式引進國內進行產品生產。世界機床出口有五分之一是進入我國市場。我國是機床的主要消費國和進口國。PLC作為數控機床的重要設備之一，其發展水平同時也影響著數控機床的技術、加工精度。因此，我國應該重視PLC在機床方面的應用，PLC控制在對于我國發展制造業，提高國內機床數控系統有著不可或缺的作用。第二章刻線機機械機構設計與搭建2.1總體設計方案按照任務書要求，其專用刻線機采用PLC控制，機床加工零件長度不超過800mm，寬度不超過50mm,工件厚度為1mm，刻線機工作中每格最大誤差：±0.01mm。刻線全程誤差：±0.05mm，本章設計出刻線機機構部分。2.1.1刻線機刀具選擇本論文設計的專業數控刻線機要想保證刻線精度，其刀具必須滿足精度要求，而對于刀具性能、特點及保持精度至關重要的刀具材料來必須充分考慮其使用條件。本次設計的專用刻線機構，其刀具與工件是接觸式加工。為了避免由于刀具磨損，而引起刻線誤差，同時，避免經常更換刀具影響加工進度，本次刀具材料選用天然單晶金剛石。天然金剛石加工刀具可達到0.002——0.008μm。刀具經經過精細研磨。能夠實現超薄加工，使用天然金剛石加工，工件精度極高，表面粗糙度極低，在加工刀具中被認定為理想的超精密加工刀具。有色金屬刀具在加工方面與天然金剛石刀具相比有色金屬刀具摩擦系數大，而摩擦系數大會導致加工時工件發生一定變形（變形與摩擦系數成正相關），工件變形引起刀具切削力增加。采用天然金剛石刀具可以有效避免以上問題。2.1.2刻線機傳動系統設計刀具上下進給運動采用步進電機驅動，轉速太低會造成強烈的震動，轉速太高會容易丟拍，所以步進電機轉速一般在300-600r/min，本文設計初步將此步進電機轉速設為400r/min，步進電機出來后需經過聯軸器傳動，再通過減速將速度降到合理使刀具上下運動。本文的減速方案為：采用直齒輪進行減速傳動，考慮到工作效率及直齒輪減速傳動比要求，設計齒輪減速的傳動比為20，考慮到降低噪聲和振動及提高平穩性，高速齒輪傳動比i1設計為5，減速齒輪傳動比i2設計為本文采用凸輪機構將回轉運動轉換為刀具的上下直線運動。初步設計如下：在0°-20°為推程，位移由0增加到5mm，作為刀具的上升運動，由于刀具的抬刀無需加工，故設計的時間較短提高效率，為了避免加工中產生剛性沖擊與柔性沖擊，設計凸輪時其從動件運動設計其運動規律為無沖擊正弦加速度（擺線）；20°-100°為停止階段，此時間段為工作臺動作；100°-180°為回程階段，位移從5mm將為0，此過程為刀具的下降過程，考慮到進刀時與工件接觸，故時間設計的長一些，同樣，為避免剛性沖擊與柔性沖擊，此過程的運動規律為擺線-直線-擺線運動，這樣既可以避免剛性沖擊與柔性沖擊，又可使進刀過程保持相對平穩，最后180°-360°為停止階段，此時間段為工作臺運動，工作臺帶動工件先對刀具運動，完成劃線動作，此過程的時間為刀具上下運動周期的一半，來使劃線動作保持平穩。按以上設計的凸輪運動曲線如圖1所示。圖SEQ圖\*ARABIC1凸輪運動曲線2.1.3刻線機電機的選擇刀具的上升運動中，刀具采用天然金剛石，其他零件采用普通碳鋼材料，本文建模后刀具上升運動部件的質量為3.01千克，故在計算保持轉矩時初步按此質量計算，電機初步轉速按400r/min計算，齒輪傳動比為20，故凸輪轉速為20r/min即周期為3s，刀具的上升過程為凸輪整周的20°可計算上升的時間為T=20°360°×3s=160圖SEQ圖\*ARABIC2凸輪上升壓力角根據此前設計的凸輪，測量出上升時的壓力角如圖2所示，凸輪上升時壓力角α為27.49°，故傳動角γ為62.51°，直齒圓柱齒輪傳動效率采用η齒=0.97，軸承傳動效率采用η軸承=0.98，聯軸器傳動效率采用η聯=0.98，安全系數SP則電機的保持轉矩為：T=根據此條件，本文初步選用型號為60BYG350CLS-SASSML-0562的三相60系列混合式步進電機，此電機步距角為1.2°，保持轉矩為0.9N?m。2.2工作臺的設計方案輔助定位監測刻線機工作臺設計，根據設計要求主要由PLC模塊、輔助定位裝置、伺服電機驅動及工作臺本體組成。如圖2-1所示輔助定位監測工作臺X工作臺XY輔軸軸助運運定動動位機機機構構構PLC模塊L伺服電機驅動1、伺服電機驅動圖2-1工作主要組成機構PC端發送程序指令到PLC，PLC接受指令經過ＣＰＵ運算和邏輯處理等操作后控制系統按照指令控制工作臺移動完成相應指令。1、伺服驅動系統及輔助定位裝置伺服驅動系統由伺服電機提供動力，驅動電路配合PLC完成驅動系統，工作臺工作定位采用傳感器輔助定位。2、機床的機械本體機床的機械本體主要包括:驅動系統部件、機床支撐部件及輔助PLC控制系統的輔助定位部件。2.2.1工作臺驅動系統結構對于工作臺驅動系統，在滿足刻線要求的前提下，應該盡量使得其控制簡單，初步設想采用絲杠完成移動任務，同時，考慮到加工實際，通過適當延長來使得其有足夠的移動距離，在工作中不會發生碰撞。為了能夠滿足刻線驅動要求在驅動系統結構中采用伺服電機，并且按照編碼器通過PLC模塊控制伺服電機來調整到所需的位置，實現模塊的組合。[26]如圖2-2所示圖2-2所示工作臺進給結構刻線機精度主要由刀具及工作臺決定，在加工中主要通過控制工作臺完成刻線，對于刻線的長短取決于工作臺的精度。而工作臺為了滿足對于刻線長度及加工長度的要求，工作臺為雙自由度。對于工作臺位置通過編碼器及限位開關來進行控制。通過控制可以實現精確刻線，并且不會發生零件碰撞。但是，為了達到精度要求，工作臺主要零件特別是絲杠要求精度必要滿足。2.2.2工作臺的結構設計工作臺由夾緊裝置安裝在梁上,滿足的實現兩個自由度運動,結構緊湊的設計原則以及小型簡單的整體模型,工作臺將使用疊加結構形式,以降低工作臺的總體規模。[27]工作臺采用雙層設計，移動機構設計為導軌與絲杠傳動組合，它們垂直固定，分別實現X方向和Y方向的進給運動。上層為固定平臺，下層為固定安裝。為了在滿足工作要求的同時使工作臺整體結構緊湊，設計如圖2-3所示。工作臺安裝在第一底座，而第一底座可由于第二底座通過滾珠絲杠驅動進行移動。固定橫輥導軌和上工作臺安裝在其上，實現X/Y進給。直線運動在兩個方向都是由滾珠絲杠驅動滑動螺旋副。工作臺面第一底座限位開關工作臺面第一底座限位開關第二底座絲杠螺母機構伺服電機第二底座絲杠螺母機構伺服電機圖2-3工作臺結構如圖2-3導軌組合。下層絲杠直接通過固定端座固定于基座上，工作臺下有螺母座用于安裝驅動螺母。導軌采用螺栓固定，為了實現X／Y方向移動，導軌分別安裝在下層基座與上層基座并都采用螺栓固定。根據行程要求，確定螺母座與兩側導軌的相對初始位置。伺服電機的電主軸通過聯軸器與絲杠的固定端連接，伺服電機帶動絲杠轉動，工作臺通過滑動螺桿帶動驅動螺母完成直線運動，并且通過分別固定在底座和工作臺上的導軌的相對滑動運動，以完成驅動工作臺進行直線運動。2.2.3工作臺質量初步估計以及力計算根據工作最大值設定移動行程，用solidworks畫出工作臺與底平臺三維模型如圖2-4所示圖2-4工作臺與底平臺三維模型指定安裝負載的工作臺材料為45鋼，底平臺材料為HT200，得出其質量分別為11658.16g，22051.71g。1下層平臺主力計算下層平臺承受的力來自載荷以及上層結構的總重量。上層平臺重量與工作臺質量之和：22051.71+11658.16=33709.87g除了兩個平臺之外還有其他零部件，按1.5倍估計，上層結構的總體質量為1.5*33709.87=50564.805g根據工作需要，負載體積為40000立方毫米，刻線機刻線材料按照鐵鎳合金計算，而鐵鎳合金的密度根據含鎳量的不同而不同,根據不同的含鎳量,鐵鎳合金的密度在7.86~8.902克/立方厘米之間.按照計算，其質量在314~356克，為了安全性，負載質量設計按照1000克，所以X方向阻力：F其中摩擦因數通過查閱滾動導軌選型手冊為0.003,故：FfX2上層平臺力計算上層平臺主要承受工作臺重量以及載荷。11658.16×1故Y向總阻力：FfY2.3工作臺導軌及絲杠螺母的選型2.3.1導軌的特點、結構及選型依據移動工作臺的機床導軌的功能主要是導向以及輔助支撐兩個作用是。導軌與滑動組合輔助工作臺完成控制系統運動。按照其作用不同,可分為支撐導軌和運動導軌。導軌是機床移動中的重要部件之一,在很大的程度上保證了機床移動與加工時的精度。而且隨著機床產業的高速發展，其現代加工對機床精度要求更高。這方同時也會導致機床對于導軌的要求提高，導軌各項性能都要到達更高的技術指標，從而保證機床更高的加工精度。1.直線導軌的特點現代機床采用最多的導軌被分為三類導軌。其中滾動導軌相比滑動導軌、靜壓導軌更加應用廣泛。主要是滾動導軌自身優良的特性。滾動導軌可以適應機床加工中的高速直線運動，在運動時摩擦因數小、運動靈敏度高，而且滾動導軌運動是無間隙運動。在使用導軌時采用成對導軌副時可以使得誤差均化，降低對于導軌安裝面精度要求，可以有效降低機械制造成本。2.直線導軌選型依據及其結構（1）計算負荷大小根據圖所示的使用條件，計算滑塊載荷（vmax=0.1mm/s，設加減速時間1s）mg4=負載質量塊為長方體，其長為800mm,寬為50mm,厚度為1mma=10003m故：mαl2m故Pmax=186+128.83=314.83N選擇THK的SHS-C型直線導軌，其基本動額定載荷為14.2kN，基本靜額定載荷24.2kN。靜態安全系數：f故可以滿足要求。（2）直線導軌結構靜音型-THK直線導軌如圖3

，為了減少導軌在直線運動中的摩擦系數，LM滑塊和LM導軌中有經過精密研磨加工而成的滾動面。在滾動面中安裝鋼球。鋼球在鋼球保持器與組裝滑塊中。導軌做直線運動時，使鋼球做循環運動。THK滑塊。由于其設計原因在受力時其四個作用方向所受到的荷載力均相同。主要原因是鋼球在設計時，是按照45°接觸配置，并且由于受到的荷載力均相同，在運動時，可以達到降低摩擦系數、加強作用方向剛度。為了保證導軌在運動是保持穩定、高精度，SHS滑塊采用了高剛性設計。圖3靜音型-THK直線導軌2.3.2滾珠絲杠計算和選擇初選THK的預壓型滾珠絲杠，公稱直徑20mm，導程5mm。型號為SBN2005-5。1.導程與軸向間隙由選型手冊查得：該型滾珠絲杠的導程精度為4μm，軸向間隙0（G0級）。總誤差為4+0=4μm。2.絲杠強度與極限轉速考慮到載荷不大，溫度變化小，且兩端固定能夠施加一定預壓消除間隙，減少軸向誤差，所以滾珠絲杠采用兩端固定的方式進行安裝。絲杠的挫曲載荷：P1=0.5絲杠的容許拉伸壓縮負荷：P2=σπ4通過查圖知：當安裝間距取460mm，兩端固定時，其容許軸向載荷約為6kN。絲杠的極限轉速：N1=λ絲杠的許用轉速：N2=130000根據vmax=0.1m/s求絲杠轉速：N=60×1易見N＜N2，轉速滿足要求。X、Y方向的載荷均由絲杠螺母承受。有此前的計算結果知道，該載荷遠小于容許軸向載荷。綜上，絲杠的強度與轉速能夠滿足要求。3.剛度根據選型手冊：&δ=其中:δ——當采用兩端固定的安裝方式時：KS由選型手冊查得所選絲杠軸的軸向剛性為370N/μm，基本額定靜載荷16.2kN，基本額定動載荷10.3kN。施加的預壓力為基本額定動載荷的10%，即1.03kN。此時根據說明：K軸承剛度：&故：Q=所以K=(149.97+故：δ=52.2337.42=1.40綜上所述，由于絲杠螺母副的機械精度造成的誤差為4+1.4=5.4μm＜50/3故絲杠螺母副滿足精度要求。2.4電機的計算和選擇2.4.1等效轉動慣量的計算對于X-Y二維平臺，底層絲杠的回轉帶動上層結構沿X方向運動，最大速度為0.1m/s。所以有：J=其中：J——Jmv——ω——所以：J=54.63933+44.56×(1001200×最大角加速度為α2π60×1max最大轉矩為M=Jα=82.858×10-要求底層電機的扭矩為T=10.4N·mm。功率為：P=2πTn查閱選型手冊，選用科爾摩根的AKM24F直流伺服電機。其額定功率為0.42kW，額定轉速為3000min-1，扭矩1.33N·m，可以滿足要求。為方便起見，上層電機同樣選用該種型號電機。2.5編碼器的計算與選擇要求定位精度達到0.05mm，根據絲杠的導程計算編碼器精度：a=即：編碼器的精度達到1.2°能夠滿足要求。根據此指標，選擇海德漢的ERO1470增量式旋轉編碼器，其技術參數如圖所示。第三章伺服系統、模擬量的PLC控制3.1伺服電機的定位運動控制3.1.1定位的概述圖3.1機器返回原點操作示意圖圖3.2JOG操作示意圖1.執行ORG指令時，電機啟動移到設備原點位置，當信號發出時，電機減速至低速運行;當檢測到源信號時，。當輸入電機在原點附近被檢測到時，它立即停止。機器原點返回操作如圖3.1所示。2.

當按下前進或者后退，電機按照指令進行運動，在沒有其他指令的情況下到IlVI指令停止。機器JOG操作如圖3.2所示。3.根據定位指令，從啟動頻率加速到目標頻率，然后保持頻率持續輸出。減速點到達后，開始降低頻率輸出，降低到起動頻率時，輸出停止。定位操作如下圖所示。圖3.3定位操作示意圖3.1.2伺服控制系統工作原理AKM24F直流伺服電機共4軸高頻脈沖輸出，脈沖輸出從0開始到3結束，輸出頻率設定范圍為1Hz~0khz，用來完成PLC與驅動器之間的通信。PLC程序將電機的位移、速度值等，通過脈沖輸出指令輸出到伺服驅動器。伺服驅動器收到脈沖指令后，驅動伺服電機完成指定動作，在運動時編碼器將收集電機移動位移并將信息傳遞到伺服驅動器。[28]3.2控制系統的硬件連接及參數設定根據工作臺使用要求及設計特點，設計伺服驅動器控制工作臺位置接線圖(如圖3.4所示)，伺服驅動器驅動接線原理按照圖3.5進行連接。[29]將首先MCDHT3_520E伺服驅動X4連接器在3銷普爾斯1(“指令脈沖”)及5與+5V進行連接。4管腳PULS2“與PLC輸出端發出的輸出零點脈沖進行連接。6管腳SIGN2與PLC輸出信號端連接接收脈沖輸出信號，進過伺服驅動器傳遞控制工作臺按照指令做出相應的移動。設定異常報警，如果工作臺工作發生異常，發出脈沖輸入I0.5。[30]31引腳A-clr連接PLC輸出I0.2.、I0.4，即輸出信號I0.2.、I0.4發送到PLC程序中的A-clr引腳，清除伺服驅動器的報警并起到復位作用。伺服驅動器的29個引腳，srv-on控制伺服開，并直接連接到OV。也就是說，一旦伺服驅動啟動，伺服驅動將進入啟動狀態，隨時準備接受定位脈沖移動命令。圖3.4X4連接器的接線圖圖3—5伺服驅動器接線圖表3.1伺服驅動器參數設置3.3伺服電機的控制設計本設計中，采用PLC控制伺服驅動，按照設定的輸入、輸出脈沖進行定位、位置移動，X/Y坐標伺服控制系統通過左右脈沖和方向信號，進行工件加工。X/Y坐標伺服系統的驅動機構是滾珠絲杠。Y軸方向的絲杠螺距為5mm，X軸方向的絲杠螺距為10mm，對于工作臺移動精度設定為lμｍ由伺服控制驅動，通過設置伺服驅動的電子齒輪傳動比和其他參數,使每個伺服系統每接收到一個脈沖驅動工作臺就移動lμｍ，在開始工作時，首先進行定位原點搜索，然后PLC對伺服驅動發送脈沖指令驅動伺服電機按照指令進行移動工作。在工作中伺服電機通過聯軸器來控制絲杠使得工作臺移動到指定的位置并進行移動刻線。這里以位置指令“PLS2”為。指指令作用是將PLC程序中事先設定的脈沖數和工作頻率發送到伺服驅動，然后伺服驅動控制伺服電機按照設定數值進行工作:本設計使用的科爾摩根的AKM24F直流伺服電機，旋轉編碼器為海德漢的ERO1470增量式旋轉編碼器，本設計中，根據滾珠絲杠的選擇，左右、前后伺服設置為每轉10,000脈沖。一個脈沖伺服電機接收到一個脈沖帶動工作臺移動lμｍ。3.4模擬量的PLC控制3.4.1模擬量信號的選擇輸出信號可以在電流信號或者電壓信號中任選其一，串口通信可以選擇RS232或RS485。本文以設計簡單更實用,不考慮串行通信的方法,同時,考慮到使得傳感器與PLC之間有距離，有距離使得如果采用電壓信號會得傳輸信號受到電線電阻的影響，發生誤差。因此選擇電流信號輸出。3.4.2設定字由于本設計使用的PLC主機為CP1h-x40dt-d，主機占用的輸入地址為CI00~CIO1(即0.00~0.11,1.00~1.11)，輸出地址為CIO100~CIO101(即100.00~100.07,101.00~101.07)。因此，分配給AD041的輸入信道地址為CI02~CIO5。設置字如圖3.6所示。圖3.6設定字說明從設置字描述可以看出，我們只使用模擬輸入1，它的最高位為1，最低位為8，用于設置2個通道。因此，需要將模擬輸入起始位設置為需要設置為0，輸入信號選擇為10:4到20mA。然后，通道1的設置其字2其他通道作為備用通道，設置為1010，其余通道不使用，設置為0000。3.4.3PLC設計說明PLC程序在第一次循環時需要設定字節，這是由于模擬輸入量模塊決定的模擬輸入模塊必須在設定后才能使用。同時，由于其設定字節，字節的寫入時間大約需要0.2秒，所以添加一個定時器用于延續時間。字節寫入后，將對模擬量信號進行后續處理操作，本程序設定，將采用D008寄存器作為寫入模擬量輸入信號的寄存器。在工作中模擬輸入量，需要通過寄存器讀取，然后輸出，根據程序設定完成機構運動以及刻線。3.5PLC控制設計3.5.1I/O的確定與分配考慮到PLC連接現場外部設備特設立開關量輸入模塊，用于連接現場設備開關信號。并將現場的開關信號轉為PLC內部接收的低電壓信號，同時根據開關量的輸入模塊特性，其可以對PLC的內外信號進行電氣隔離。[33]按照選擇時留下10%~20%的余量，結合實際需要，選擇輸入口為10個，輸出口為7個。同時考慮到在滿足使用條件下滿足工作要求，CPU模塊選用CPU224（14輸入/10輸出），由于CPU滿足工作要求，目前不考慮擴展。[34]按照專用刻線機對于PLC控制要求，通過設計方案，開確定I/O分配，在考慮到需要的控制按鈕以及各種需要的輔助裝置及開關進而確定了與PLC控制系統相關的設備，最終對PLC的的I/O點數完成確定，并且I/O分配表如下圖所示：輸入編號名稱用途I0.0SB1啟動I0.1SP1裝卡信號I0.2SQ1上下進給原點I0.3SQ2縱向原點I0.4SQ3橫向原點I0.5SB2急停I0.6SQ4工作位置I0.7SQ5縱向停止輸出編號名稱用途Q0.0KM1上下進給Q0.1KM2縱向運動Q0.2KM3橫向劃線Q0.3HL2原位指令Q0.4HL1電源3.5.2元件及具體型號的匯總表設計時應該在滿足功能要求及操作要求，在保證加工精度的前提下選擇經濟型的設備，特別是對于PLC相關模塊，在滿足控制要求的前提下，考慮經濟實惠的模塊配置，使得專用刻線機成本盡可能的降低，才能使整個控制系統最具性價比。設備代碼設備型號設備名稱規格件數SBLA19-11按鈕2SPDP-25B壓力繼電器1SQLX5-11限位開關5KM1、KM360BYG350CLS-SASSML-0562步進電機α1.2°T0.9N?m2KM2AKM24F縱向電機0.42kWT1.33N?m1HLXD1-6.3A信號燈6.3V33.5.3順序控制圖如圖所示，啟動后，PLC輸出脈沖發出脈沖信號，控制伺服電機驅動工作臺移動，同時編碼器將位移信號實時反饋給伺服驅動器，固定于刀頭一側的步進電機也控制刀具進行移動。刀頭向下移動的距離通過凸輪進行設定，只要將可能活動的區間包含在內即可。伺服電機移動開始后，工作臺按照PLC指令，移動到指定位置。

3.5.4硬件接線圖

第四章結論與展望4.1結論按照目前趨勢PLC將會在數控機床上發揮著越來越重要的作用。本文通過對國內外有關文獻的研究，對于數控機床未來發展及PLC在機床實現自動化的影響進行了分析。并且對于PLC數控中的一些問題通過查閱大量文獻做出了深入的研究，對于主要發現成果如下：通過對數控機床以及PLC發展有關資料查詢分析后，對于PLC在數控機床上的應用研究方向做出以下內容。１、在設計專用刻線機時，通過文獻查找以及對于PLC控制系統的研究發現。在實際工程中，PLC控制系統大多采用步進電機，精度并不能滿足高精密機床機床要求。2、確定了總體設計方案，為了滿足移動工作臺要求，PLC控制系統電機采用了伺服電機，相比與步進電機，伺服電機與PLC控制系統配合可以使得控制精度更高。3、采用PLC搭建控制系統相比于選擇繼電器-接觸器，PLC控制系統在控制精度、可靠性及安全等方面都有很強的優勢，經過實際工程檢驗其故障率也小很多。在操作方面與繼電器-接觸器控制系統相比操作簡單，不容易發生誤操作，同時還有報警系統，提升了安全性。機床采用PLC控制能夠有效提高工件加工速度，在相同的時間內生產更多產品，降低公司生產成本，提高產品利潤。通過本次設計，我在伺服系統應用、模擬信號處理等方面更加熟練，并掌握了PLC編程，進一步提高了自己的編程和設計水平。同時，我在設計中也有廣泛的其他相關材料，也提醒了我以后要不斷的學習，時刻關系專業發展。4.2展望作者認為PLC控制系統，對于機床數控化來說必不可少。其PLC功能的實現及完善是數控系統發展的基礎。PLC的發展與未來高端數控機床有著緊密的聯系。因此，結合數控系統的特點，進一步開發和完善PLC的功能是今后研究的重點。它主要包括:1.對于與PLC配合的PC端軟件進行功能完善，使得PC端軟件與工業編程軟件進行結合，通過研究它與數控機床的匹配度，提高軟件的適應性，進一步擴展功能模塊，以滿足更多使用的需要。2.對于數控系統語言設定標準語言，使得數控語言在行業內有規范的編程語言。除了梯形圖和指令語言，還添加了幾種編程語言，以適應更多的編程用戶。3.在現代數控機床的工業控制更多是注重加工控制及安全控制。在后期我們應該注重開放人機互動，開發更加人性化、簡單化的控制功能。4.為了節約時間提高效率，對于數控機床在線調試要進行不斷完善，同時完善故障診斷功能實現更方便的利用PC端軟件在數控機床發生故障時進行及時排查。

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