控銑床電氣控制系統的設計a第1章緒論本緒論主要是從本課題的來源、目的、意義、應解決的主要問題及應到達的技能要求來介紹機電一體化講授實驗系統(數控銑床型)，并且敘述了海內外生長表面以及存在的問題。最后簡述了本設計的指導思想。課題的來源隨著種種學科的交織生長，原來的純機器加工已經生長為機電一體化的加工機床，現在隨著種種控制技能的日趨完善，機電一體化的加工系統——數控機床已經毫無疑問成為了產業生產的主力裝備。一方面，觀察表明，我國要成為“世界工場”，需要培訓和造就數十萬數控技能應用領域的操縱人員、編程人員和維修人員，另一方面，來自機電一體化專業在實踐方面對付專門的講授用的儀器設備的需求，是本課題產生的主要的原因。目的和意義本產物立足于設計一臺能夠滿足各大高等院校對講授用機電一體化實驗系統的需求，用于學生實驗所需的數控銑床。主要用于裝備高等院校，中等技能專業學校及種種技能學校的機電一體化實驗室設備，可用于數控機床，數控編程，數控原理等專業課程的講授實驗與培訓。本課題是要求在指導老師的指導下通過查閱相關的內容的資料并進行總體方案的設計(包羅機器總體結構，電氣控制系統總體結構和控制軟件總體結構設計)進而最終完成適合講授實驗使用的數控銑床。該機床能實現單軸定位及兩軸聯動聯動，從而可以完成對塑料制品的銑、鉸等根本的切削運動，并能加工形狀簡樸的零件。機電一體化系統的簡介機電一體化技能的根本觀點是指將機器學、電子學、信息處置懲罰和控制及專用軟件等今世種種新技能進行綜合集成的一種群體技能。機電一體化系統主要有五個組成部門:動力、機構、執行器、盤算機和傳感器,組成一個功效完善的柔性自動化系統,其中盤算機、傳感器和盤算機軟件是機電一體化技能的重要組成要素。機電一體化系統具有結構簡樸、功效多、效率高、精度高、能耗低的特點,與傳統的機器產物比力,機電一體化產物至少有以下三個優點。(1)原有的機構產物中增加信息處置懲罰裝置及相應軟件,來替代原有產物的部門機器控制機構,不但提高了自動化水平,并且能大大提高產物質量,同時也低落了生產本錢,提高經濟效益。(2)以機電一體化技能為主的新型產物,與原機器產物相比,不但結構簡樸,并且功效越發富厚,精度也得到提高。(3)將電子技能、傳感器技能、控制技能與機器技能各自的優勢結合起來,形成綜合性優勢,可開發出具有多種功效、智能化的高新技能產物。機電傳動概述機電傳動就是指以電動機為原動機驅動生產機器的系統之總稱。它的目的就是電能轉變為機器能，實現生產機器的啟動，停止以及速度控制，完成種種生產工藝歷程的要求，包管生產歷程的正常進行。機電傳動控制系統生長愈來愈高。現在機電傳動機控制系統由微型利用桿，敏感元件，盤算機，伺服機構和執行機構等部門組成。當利用它時，電傳系統立刻將機器行動轉變為電信號，經盤算機盤算放大后，通過電機使執行機構行動。電傳利用系統的優點是結構比力簡樸，體積和重量小，易于安裝和維修、利用靈敏度高，無滯后現象。由于可以敷設多條電纜，“生存力”大大增強。但就機電傳動而言，它的生長大要上經歷了成組拖動，單電機拖動和多電機拖動三階段。控制期間經過了四階段：1.打仗器與繼電器2.電機放大機控制3.磁放大器，大功率可控水銀整流器4.盤算機數字控制CNC。就本次設計而言，系統的驅動部門接納了步進電機驅動，控制部門接納比力先進的微機與PLC控制。1.3.2數控加工的概述數控加工，是指在數控機床上進行零件加工的一種工藝要領，數控機床加工與傳統機床加工的工藝規程從總體上說是一致的，但也產生了明顯的變革。以下是數控加工的特殊之處：工序會合：數控機床一般帶有可以自動換刀的刀架、刀庫，換刀歷程由步伐控制自動進行，因此，工序比力會合。工序會合帶來巨大的經濟效益：淘汰機床占地面積，節約廠房。淘汰或沒有中間環節(如半制品的中間檢測、暫存搬運等)，既省時間又省人力。加工自動化：數控機床加工時，不需人工控制刀具，自動化水平高。帶來的利益很明顯。對操縱工人的要求低落：一個普通機床的高級工，不是短時間內可以培養的，而一個不需編程的數控加工操縱工人培養時間極短(如數控車工需要一周即可，還會編寫簡樸的加工步伐)。并且，數控工在數控機床上加工出的零件比普通工在傳統機床上加工的零件精度要高，時間要省。低落了工人的勞動強度：數控工人在加工歷程中，大部門時間被排斥在加工歷程之外，非常省力。產物質量穩定：數控機床的加工自動化，免除了普通機床上工人操縱時所產生的疲勞、粗心、預計等人為誤差，提高了產物的一致性。加工效率高：數控機床的自動換刀等使加工歷程緊湊，提高了勞動生產率。3．柔性化水平高：傳統的通用機床，雖然柔性好，但效率低下；而傳統的專機，雖然效率很高，但對零件的適應性很差，剛性大，柔性差，很難適應市場經濟下的猛烈競爭帶來的產物頻繁改型。只要改變步伐，就可以在數控機床上加工新的零件，且又能自動化操縱，柔性好，效率高，因此數控機床能很好適應市場競爭。4.加工能力強：數控機床能精確加工種種輪廓，而有些輪廓在普通機床上無法加工。數控機床特別適合以下場所：a)不許報廢的零件。b)新產物研制。c)急需件的加工。1.3.3數控加工的設備數控加工所使用的主要設備---數控機床是信息技能與機器制造技能相結合的產物，代表了現代底子機器的技能水平與生長趨勢。數控機床具有以下明顯特點：適合于龐大異形零件的加工。實現盤算機控制，排除人為誤差。通過盤算機軟件可以實現精度賠償和優化控制。加工中心、車削中心、磨削中心、電加工中心等帶有刀具庫并具有換刀功效，從而淘汰了人工裝夾的次數，提高了加工精度。數控機床使機器加工設備增加了柔性化的特點。柔性加工不但適合于多品種、中小批量生產也適合于大批量生產，且能瓜代完成兩種或更多種差別零件的加工，增加了自動變更工件的功效，可實現夜間無人看管的操縱。由幾臺數控機床(加工中心)組成的柔性制造系統(FMS)具有更高柔性的自動化制造系統，包羅加工、裝配和查驗等環節。數控機床可分別為三個條理：高等型數控機床：是指可以進行龐大形狀的加工，具有多軸控制或工序會合、自動化水平高、高度柔性的數控機床。普及型數控機床：具有人機對話功效，應用較廣，代價適中，通常稱之為全功效數控機床。經濟型數控機床：結構簡樸，精度中等，但代價自制，僅能滿足一般精度要求的加工，能加工形狀較簡樸的直線、斜線、圓弧及帶螺紋類的零件。選用數控機床需遵循的原則是：實用性：是指明確數控機床來解決生產中的哪一個或哪幾個問題。經濟性：是指所選用的數控機床在滿足加工要求的條件下，所支付的代價是最經濟的大概是較為公道的。可操縱性：用戶選用的數控機床要與本企業的操縱和維修水平相適應。穩定可靠性：是指機床自己的質量，選擇名牌產物能包管數控機床事情時的穩定和可靠。PLC(可編程邏輯控制器)生長的現狀及生長的趨勢PLC生長到現在共經歷了四代。現在的PLC接納16位以上的微處置懲罰器作為CPU外，內存容量更大，還可以將打胎PLC連接起來，實現資源共享;還可以直接用于一些范圍較大的龐大控制系統；釀成語言除了可使用傳統的梯形圖、流程圖等還可以使用高級語言；外設多樣化，可以配置CRT和打印機等。目前海內外用于這方面控制系統的PLC主要是由幾大主要生產商提供的。即：Siemens(GER),GE(U.S),Rockwell(U.S),MitsubishiJap),OmronJap)這幾家主要的PLC供給商占據了PLC市場的75%~80%。現在的主要的PLC的廠商都會合在日本和美國等發達國度，海內生產和制造PLC的工藝技能都還落后于這些國度。其生長的趨勢是：1、人機界面越發友好PLC制造商紛紛通過收購或聯合軟件企業、或生長軟件財產，大大提高了其軟件水平，多數PLC品牌擁有與之相應的開發平臺和組態軟件，軟件和硬件的結合，提高了系統的性能，同時，為用戶的開發和維護低落了本錢，使更易形成人機友好的控制系統，目前，PLC+網絡+IPC+CRT的模式被遍及應用。2、網絡通訊能力大大增強PLC廠家在原來CPU模板上提供物理層RS232/422/485接口的底子上，逐漸增加了種種通訊接口，并且提供完整的通訊網絡。由于近來數據通訊技能生長很快，用戶對開放性要求很強烈，現場總線技能及以太網技能也同步生長。3、開放性和互操縱性大大生長PLC在生長歷程中，各PLC制造商為了壟斷和擴大各自市場，處于群雄盤據的局面，各自生長自己的尺度，兼容性很差，這給用戶使用帶來未便，并增加了維護本錢。開放是生長的趨勢，這已被各廠商所認識。4、PLC的功效進一步增強，應用范疇越來越遍及PLC的網絡能力、模擬量處置懲罰能力、運算速度、內存、龐大運算能力均大大增強，不再局限于邏輯控制的應用，而越來越應用于歷程控制方面，有人統計，除石化歷程等個體領域，PLC均有樂成能應用，PLC在相當多的應用取代了昂貴的DCS，從而使原來PLC（順序控制）+DCS（歷程控制）的模式釀成PLC+IPC模式。5、產業以太網的生長對PLC有重要影響以太網應用非常遍及，與產業網絡相比，其本錢非常低，為此，人們致力于將以太網引進控制領域。目前的挑戰在于1）硬件上如符合應產業惡劣情況；2）通訊機制如何提高其可靠。以太網能否順利進入工控領域，還存在爭論。但以太網在工控系統的應用卻日益增多，適應這一歷程，各PLC廠商紛紛推出適應以太網的產物或中間產物。從PLC的生長趨勢來看，PLC控制技能將成為今后產業自動化的主要手段。在未來的產業生產中，PLC技能、呆板人技能、核CAD/CAM技能將成為實現產業生產自動化的三大支柱。1.4海內外動態海內研究的狀況近十幾年來，我國各級政府在產業控制盤算機及其系統，可編步伐邏輯控制器（PLC）、數控系統、產業呆板人等技能和財產都曾列入重點生長籌劃，各項都有上千萬元的投資，但真正能形成范圍性產物生產的財產卻寥寥無幾，在海內市場的占有率不敷10％。跟蹤研究外洋先進技能的生長、加大市場調研力度是高新技能財產開發中的一個嚴肅的課題，不能不引起各條理決策者重視和積極支持。外資企業進入我國市場時，在市場調研方面的資金投入是驚人的重視。相比之下，我國各級政府、各企事業特別是國營企業在跟蹤研究和市場調研方面的投入卻重視得不敷。同時機電一體化技能涉及的領域遍及，不可能全面生長。就可編步伐邏輯控制器（PLC）而論，80年代末90年代初我國有三十多家企事業單位小批量生產中低檔產物系列。面對年需求量十幾萬臺整機產物的龐大市場需求，大多數海內的企事業單位都未能越過外洋大型企業的競爭壁壘，沒有一家企業能到達范圍性財產，紛紛退出競爭，外洋企業險些把持了市場。數控機床是干系到國度戰略職位和體現國度綜合國力水平的重要底子性財產。在整個機床行業不景氣的時期，數控機床的生長一枝獨秀，最近幾年，我國數控機床無論在產量、品種照舊在高等機床的生產方面生長很快。自1999年以來，機床行業出現了止滑回升的好勢頭，尤其是隨著數控機床產物的開發，質量和品質可靠性的提高所取得的顯著成效，增長較快。2003年數控機床出口額同比增長了15.87%。數控機床已經成為了今世機器行業的主流裝備。如海內的北京第一機床廠就與大連理工大學等高校互助生產出XK4860五坐標數控螺旋槳銑床等海內領先的數控機床。但隨著我國經濟的快速生長，數控機床生產遠滿足不了市場需求，國產數控機床僅占我國總消費額的50%左右。臺灣、日本成為我國大陸數控機床進口的主要來源地。外洋研究的狀況目前國際先進制造業不停改進自動控制系統、提高傳統制造業的技能水平和市場競爭力；機電一體化財產結構不停調解，各行業不停融合，數控技能趨于模塊化、網絡化、多媒體和智能化。現場總線是當前自動化控制與儀器儀表領域技能生長的第一熱點。電力電子技能成為改革傳統財產的底子，它拓寬了微電子技能的應用領域，為機電一體化、新能源技能、核技能、航天技能、超導應用、激光裝置、生物工程、新質料技能提供了高性能、高精度、高效率和高質量小型的電控設備和電源設備，成為生長高新技能的底子。產業發達國度應用機電一體化技能已十分遍及，不但在單機產物中占有重要位置，并且在生產制造系統內也十分活潑。例如，盤算機集成制造系統（CIMS）、快速成型制造系統（RPM）、智能制造系統（IMS）等。機電一體化產物模塊化的生長促進了新產物的開發，品種不停增多，格式不停翻新，縮短了開發周期。以驅動為焦點的驅動模塊單位（簡稱D）,以伺服為焦點的運動控制模塊單位（簡稱M）,以二根導線把各功效單位連接起來的總線或現場總線等，已形成了尺度化的產物。智能制造技能是21世紀機電一體化技能的重點生長領域。所謂智能制造技能是指90年代初由日本提倡的''智能制造系統”(IMS)國際互助研究籌劃提出的技能。這個互助研究組織包羅日、美、歐盟、澳大利亞等，籌劃在十年中投資10億美元，設立100個研究開發項目，開展智能制造的前期研究事情，目標是開發出能使人和智能設備都不受操縱者和版圖限制的互助系統。而數控加工的主力設備數控機床技能在外洋的生長已經出現出五大特點：1.高速、高效和復合加工機床生長迅速2.機床更強調寧靜和環保要求3.功效部件生長迅速，已形成完整配套件財產4.控制系統功效越發完善、強大，開放式結構趨勢明顯5.機床的外觀、質量水平更高1.5機電一體化技能的生長與展望.數控化和綜合化將先進的盤算機及多種控制技能手段、以及高精度和自動化的工件定位系統相結合，從而形成研制和生產的加工中心，已成為數控加工技能生長的一個重要趨勢。.小型化和組合化外洋已把切割銑削和模具沖壓多種加工要領組合在一臺機床上，制成多功效的沖床，它兼有切割銑削的多功效性和沖壓加工的高速高效的特點，可完成切割銑削龐大外形、打孔、打標、劃線等加工任務．數控銑床電氣控制系統的設計第2章系統的總體設計a第2章系統的總體設計一個較完善的機電一體化系統，包羅以下幾個要素：機器本體、能源部門、測試傳感部門、驅動裝置、控制及信息處置懲罰單位，各要素之間通過接口相聯系。機器部門機器部門設計與闡發將憑據機器設計原理提出幾種機器設計方案，并對這些方案進行比力選擇，闡發設計方案選擇的理由以及所接納方案的特點；同時，就設計歷程論述本人對有關設計的一些表述.本設計是一個主要用于講授實驗用的數控銑床系統，是要對零件進行銑削加工的。我們要論證講授實驗用的數控銑床系統的總體方案，就需要對該系統有一個整體的了解。下圖就是數控銑床加工系統的簡圖。要進行總體方案論證，先要熟悉設計參數，我們才氣以此為依據進行取舍。下面就是我們這次設計的參數。講授實驗用的數控銑床系統，其事情參數如下：機床尺寸(寬長高)：76014751400(mmmmmm)最大加工范疇(XYZ)：400300150(mmmmmm)主軸電機功率：60(W)主軸轉速：3000(r/min)事情臺尺寸160160(mm)空間加工范疇170160(mm)事情臺最大承重s50(kg)事情速度0?5(m/min)快速移動速度8m/min數控銑床的結構形式有許多，通過對其主要的結構形式的闡發，大要上最常見的可分為如下兩類：＜1＞工件沿X坐標偏向移動的類型這類機床主要接納的是龍門式結構，其事情的原理為：事情臺沿X偏向移動。而Y坐標則為打印頭在由雙立柱及橫梁組成的龍門上的運動，既可用于二、三坐標作平面銑削，又可以擴展為四坐標機床用于切割管件和型材，還能組成五坐標機床加工空間曲面。這類機床的規格尺寸較大。另外工件沿X坐標偏向移動式結構另有兩種懸臂式的結構，一者是為事情臺沿X坐標偏向移動，另一者為工件及夾具同時沿X坐標偏向移動，其規格尺寸都比龍門式的要小。＜2＞工件沿X,Y二坐標偏向移動的類型這類機床多為單純用于切割的二、三坐標機床，其切割頭懸臂伸出，在水平面內并無移動；而工件則可以沿X、Y兩個偏向運動，這類機床的結構比力簡樸，規格尺寸也較小，最大2000x1500（mmmm）。工件沿二坐標偏向移動的類型又可分為十字事情臺式和工件與夾具移動式兩種；前者工件與事情臺連動，規格更小些；后者規格尺寸稍大，事情臺牢固不動，而工件則由夾具夾持著移動，大多是與自動沖裁技能結合在一起成為可完成切割銑削，沖裁等多種加工功效的多功效機床。電氣控制系統方案要實現對機電一體化的數控銑床的有效控制，這樣的電氣控制系統有多種方案可以選擇。其中最主要的是接納：＜1＞接納單片機的控制系統；＜2＞接納了集成DSP芯片的控制板與PC機相聯系的控制系統；＜3＞接納PLC與PC機相聯系的控制系統。各控制系統方案的特點與比力：＜1＞接納單片機的控制系統所謂的單片機便是一塊集成了CPU、RAM、ROM（EPROM或EEPROM）、定時/計數器、時鐘、多種功效的串行和并行I/O口的芯片。如Intel公司的8031系列等。除了以上根本功效外，有的單片機還集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。歸納綜合起來說，單片機具有如下特點：（1）可靠性好。芯片自己是按產業測控情況要求設計的，其抗產業噪聲滋擾優于一般通用CPU；步伐指令，常數，表格固化在ROM中不易破壞；許多信號通道都在一個芯片內部，故可靠性高。（2）易于擴展。片內具有盤算機正常運行所必須的部件，芯片外部有許多供擴展用的三總線及并行、串行I/O管腳，很容易組成種種范圍的盤算機應用系統。（3）控制功效強。為了滿足產業控制要求，一般單片機的指令系統中均有富厚的條件分支、I/O口的邏輯操縱以及位處置懲罰指令。一般來說，單片機的邏輯控制功效及運行速度均高于同一檔次的微處置懲罰器。（4）單片機一般接納了面向控制的指令。（5）代價低廉。如低檔單片機代價只有幾元錢。開發情況完備，開發東西齊全，應用資料眾多,后備人才富足。并且海內大多數高校都開設了單片機課程和單片機實驗。＜3＞接納PC與PLC相聯系的控制系統可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，簡稱PLC）是以微處置懲罰器為焦點的產業控制裝置。它是盤算機家屬中的一員，是為了產業控制應用而設計的，主要用于取代繼電器實現邏輯控制。1969年，美國數字設備公司（DEC）研制出第一臺PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，得到了樂成。這種控制裝置將傳統的繼電器控制系統與盤算機技能結合在一起，具有高可靠性，靈活通用，易于編程，使用方便等特點，并且隨著技能的生長，它的功效早已大大超出了邏輯控制的范疇，因此近年來在產業自動控制，機電一體化，改革傳統財產方面得到遍及地應用。雖然種種PLC的組成各不相同，但是在結構上是根本相同的，一般由CPU,存儲器，輸入輸出設備（I/O）和其他的可選部件組成。CPU是PLC的焦點，它用于輸入種種指令，完成預定的任務。自整定，預測控制和模糊控制等先進的控制算法也已經在CPU中得到了應用存儲器包羅隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM，通常將步伐以及所有的牢固參數固化在ROM中，RAM則為步伐運行提供了存儲實時數據與盤算中間變量的空間；輸入輸出系統（I/O）使歷程狀態和參數輸入到PLC的通道以及實時控制信號輸出的通道，這些通道可以有模擬量輸入、模擬量輸出、開關量輸入、開關量輸出、脈沖量輸入等，使PLC的應用十分遍及。在本控制系統中，PLC模塊除了能夠實現對機床各軸的順序運動控制功效，還能實現X,Y軸的插補運動控制功效。所以選擇PC與PLC相聯系的控制系統。數控銑床電氣控制系統的設計第3章數控銑床機器部門設計a第3章數控銑床機器部門設計數控銑床是由機器設備與數控系統組成的適用于平面零件加工的高效自動化機床。由于數控銑床由盤算機控制，所以能自動完成銑、鉆、鏜、鉸、攻螺紋等多種工序的加工，因此能使生產效率和自動化水平大大提高。數控銑床整體上可以分別為電氣控制和機器本體兩大部門。微型數控銑床的機器本體，是系統電氣控制部門的控制東西。它的結構和功效根本上決定了整個實驗系統的功效。微型數控銑床機器本體的組成和結構數控銑床的分類和選型數控銑床可按多種要領分類。例如:按主軸在空間所處的狀態可分為立式數控銑床和臥式數控銑床;按運動坐標數和同時控制的坐標數可分為三軸二聯動、三軸三聯動、四軸三聯動、五軸四聯動等;按加工精度又可分為普通數控銑床和高精度數控銑床。為了把數控銑床的特征表述得更清楚，常在立式或臥式數控銑床之后，同時說明是什么控制系統、幾軸幾聯動或其它特性。每臺數控銑床都有一定的規格和功效范疇，也有最佳的使用范疇。臥式數控銑床適合于加工箱體零件、泵體、閥體和殼體等。立式數控銑床適于加工龐大輪廓、曲面及板類零件等。規格相近的臥式數控銑床比立式數控銑床代價要高，但臥式數控銑床的工藝性比力遍及。實際的數控銑床選型歷程，主要是:（1）按己定的主要被加工零件來選擇數控銑床的規格（主要指事情臺尺寸、坐標數量、坐標行程以及主軸功率等），一般應使事情臺面稍大于零件尺寸，以便給安裝夾具留出空間;（2）憑據典范零件要害部位的加工精度選擇機床的精度品級（定位精度、銑圓精度）;（3）選擇數控系統的功效:（4）選擇自動換刀裝置;（5）選擇數控銑床的附件和技能辦事等。本系統中，數控銑床主要用于講授演示，讓學生了解數控銑床的根本結構、功效和控制要領。因此，數控銑床的根本組成和結構主要憑據講授實驗目的來確定。微型數控銑床機器本體的結構憑據系統擬到達的種種實驗功效，本文設計了一臺臥式微型數控銑床。為了確保實驗系統的開放性和靈活性，微型數控銑床的機器本體始終貫徹模塊化設計原則。整個機器本體由:（1）X軸系;（2）Y軸系;（3）Z軸系這三大模塊組成，其結構如圖3-1所示。圖3-1機器本體結構結構圖上述三個模塊在結構上具有很大的獨立性和相對完整性。這樣可以使講授演示實驗越發簡樸明了，使學生對知識的學習有一定的系統性。機電一體化事情臺的設計由于是用于講授實驗，所以機電一體化事情臺的設計尺寸是憑據機床原尺寸進行了縮小，其結構見圖3-1。機電一體化事情臺有三個運動軸:X,Y,和Z軸。憑據系統的功效設計，X軸、Z軸由步進電機驅動，可以方便實現兩軸聯動;Y軸由交換伺服電機驅動，給學生學習伺服驅動提供條件。這樣的設計使學生可以學到種種電機的控制要領，使整個系統的功效籠罩面更廣。事情臺的主要參數機電一體化事情臺的主要技能參數如表3-1所示。表3-1事情臺的主要技能參數技術規格單位參數事情臺尺寸：長*寬mm200*200行程X軸mm300Y軸mm300Z軸mm300進給速度（X、Y、Z軸）mm/min1-1200快移速度（X、Y、Z軸）mm/min1500X、Z軸的結構設計X軸和Z軸均由步進電機驅動，兩者的事情原理相同:步進電機軸與滾珠絲杠之間用聯軸節直接相聯，由步進電機動員滾珠絲杠轉動，兩者之間的傳動比為1;再由滾珠絲杠動員滑臺作直線進給運動。X軸的機器結構如圖3-2所示。滑臺與三個直線軸承套聯結，由兩根相互平行的直線軸承支撐，每根直線軸承由兩個支承牢固;滑臺垂直偏向上所受的力通過直線軸承通報給支承，再通報到底座上;直線軸承不但蒙受了X軸滑臺垂直偏向上的力，還對滑臺的運動起導向作用。為了限定事情臺在劃定的范疇內運動，在X向導軌的兩個極限位置設置兩個靠近開關作為限位開關，當事情臺靠近限位開關時，限位開關發出極限位置報替信號，由控制系統進行處置懲罰；同樣，還設置了另一個靠近開關作為事情臺X軸向的原位檢測開關。Z軸和Y軸上的位置檢測開關的設置跟X軸是相同的。同時，為了讓學生對事情臺的運動有一個直觀的認識，分別在X軸、Y軸的兩個限位開關之間安頓了刻度尺，通過刻度尺可以讀出事情臺的位移量。圖3-2X軸的機器結構如上所述，X軸向直線進給運動是由滾珠絲杠驅動的。對滾珠絲杠接納兩端牢固的支承方法。在裝配時，除了應嚴格包管兩直線軸承導軌平行、運動靈活外，還應該嚴格包管滾珠絲杠與直線軸承導軌之間的平行，且運動靈活。Z軸的機器結構與X軸根本相同，如圖3-3所示。它安裝在Y軸滑臺上。由于Z軸的進給偏向與重力偏向平行，直線軸承只包管進給偏向，不蒙受Z軸滑臺以及安裝在其上的主軸所受的重力。當進給偏向與重力偏向相同時，重力成了進給驅動力;當進給偏向與重力偏向相反時，重力成了進給阻礙力。這對進給驅動控制是非常倒霉的。解決這個問題的有效途徑是設計一個平衡重，抵消重力對進給驅動力的影響。理論上這個平衡重的質量應該便是Z軸滑臺的質量與主軸質量的和。圖3-3Z軸的機器結構機器部門設計與盤算已知條件1．微型數控銑床的設計數據進給電機1.5KW1400r/min最洪流平拖動力100kg=1000N進給最大速度縱向2.3m/min橫向2.3m/min升降臺0.77m/min工件最大重量20kg=200N機動范疇縱向300mm橫向300mm升降150mm2．工藝數據工件加工余量：最大銑削寬度7mm最大銑削深度40mm刀具數據：高速鋼圓柱銑刀直徑①32?①40mm斜刀齒數3?4工藝數據：主軸轉速150?190r/min走刀速度40?60mm/min每齒切厚為0.05?0.2mm取0.1mm盤算3．機床進給部件重量預計縱向（X軸）事情臺，長500mm，約重15kg=150N橫向（Z軸）事情臺，約為30kg=300N升降（丫軸）部門運動件約重50kg=500N為了防備升降臺自行下滑，原機床設置有單向逾越離合器及摩擦片制動器，并且為了包管事情可靠，將摩擦阻力調到略大于升降臺的重力，在數控改革后仍要保存此功效，這樣在實際運動時下降的阻力最大，按600N盤算。滾珠絲杠螺母副的選用設計選擇滾珠螺桿時,首先要盡量地觀察清楚運轉條件再決定設計,這是最根本的原則。并且，選擇的要素有負荷重量、沖程、力距、定位精度、重復定位精度、剛性、導程、螺帽孔徑等，各個要素之間都有干系，其中一項要素改變就會引起其他要素的改變，必須注意各要素之間的均衡。X（縱）向銑削力的盤算憑據機床設計手冊，對高速鋼圓柱銑刀Fz=9.81CFZae0.86af0.72apZdo-0.86其參數按實際加工歷程中平均銑削條件銑削為準選取：取CFZ=68.2ae=5mmai=0.1mmap=30mmZ=4do=36mm所以FZ=9.8168.25-0.860.10.7230436-0.36=3735（N）對圓柱銑刀逆銑加工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)則=3150(N)=3.15(kN)強度盤算由于是實驗系統，我們接納的是兩根直線軸承作為導向裝置，使用銑床的燕尾型導軌事情時的軸向力Pm作為近似設計盤算。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)壽命值Li=60niTi/106=601015000/106=9取fw=1.2fH=1.1則最大動負載憑據最大負載Q的值，可查表選取滾珠絲杠的型號。如選FC1B255,其動負載為11.67kN,遠大于Q值，所以強度足夠。剛度驗算滾珠絲杠受事情負載Pm引起的導程變革量：/L1=PmLo/EF=3.1785/(200n421,8252)=0.00210-2(mm)=0.02(um)滾珠絲杠受扭矩引起的導程變革量/L2很小，可忽略。即/L=/L1所以導程變形總誤差為/=100/L/Lo=1000.02/0,5=4(um/m)查表知選取用T5級精度絲杠允許的螺距誤差為30um/m,故剛度足夠。效率盤算丫二3。38‘6=10’則傳動效率n=tanY/tan(Y+6)=tan3o38'/tan(3o38’+10’)=0.956穩定性驗算由于接納兩端牢固的方法，穩定性足夠。具體參數如表3-1。表3-1公稱直徑?25mm根本導程5mm鋼球直徑?3.175mm絲杠大徑?24.5mm額定動負荷11.67kN額定靜負荷28.5kN其型號為:FC1B255—3.175—T5/4005-52.Z（橫）向用上述同樣要領可選用Z（橫）向滾珠絲杠螺母副為T5級精度絲杠FC1B255強度足夠、剛度足夠，穩定性足夠，傳動效率n=0.956。具體參數如表3-2。表3-2公稱直徑?25mm根本導程5mm鋼球直徑?3.175mm絲杠大徑?24.5mm額定動負荷11.67kN額定靜負荷28.5kN憑據對實物的丈量，橫向進給絲杠的總長度為500mm,其中事情長度為300mm，故該絲杠的尺度型號為：FC1B255—3.175—T5/4005-5導軌、軸承的選擇1.直線軸承的選用在本實驗系統的設計中接納直線軸承對滑臺的運動起導向作用。■結構與特長線性軸承是由外筒、鋼珠、鋼珠保持器與兩端扣環所組成。?保持器裝置于外筒之內，由兩端扣環牢固，使鋼珠在軌道面重復循環而不至脫落。?外筒經充實的熱處置懲罰而到達相當的硬度，以確保運動時的寧靜性及壽命。?鋼珠保持器由樹脂成形，它可以淘汰鋼珠與保持器間之噪音與磨耗。?容許使用溫度為80℃以內。1．高精度、高剛度、低噪音線性軸承具有高硬度的外筒和鋼珠，加上制造上嚴格要求，所以具有高精度；使用高拉力樹脂保持器，淘汰了噪音量。2．裝配容易線性軸承可蒙受任何偏向之負荷，商品尺度化、規格化，與其配合之組件加工容易，在裝配上容易到達要求。軸承選擇：接納兩端牢固支承方法。牢固端接納兩個角打仗軸承面劈面安裝來蒙受軸向力和徑向力。由于是實驗系統，所受的載荷比力輕，所以憑據絲桿的軸徑。選擇代號為：7204C的軸承，D=20,D=47,B=14.2.聯軸器的選擇盤算：1.T=9550*P/N=9550*1.5/1400=10.23N.M2.3.3.4執行元件步進電機的盤算及選擇.步進電機脈沖當量、步距角和降速比的選擇脈沖當量6p、步距角eb,絲杠螺距t和降速比i之間的干系為6p=0b?t/360i一般數控銑床6p取為0.01mm/stept=5mm為了使實驗系統的結構簡樸,則選取減速比i=1;則.步進電機轉軸上啟動力矩的盤算由Tq=366p[Fs+|j(G+FZ)]/(2n0bn)(N?cm)式中：FS一一銑削進給抗力(N)FZ一一垂直進給抗力(N)G一一事情臺及工件夾具總重量(N)取6p=0.01mm/stepFS=P=3150(N)FZ=PV=698(N)n=0.6p=0.2G=1000N則Tq=360.01[3150＋0.2(1000＋698)]/(23.140.750.6)=444.6(N?cm).確定步進電機最高事情頻率fmax=1000V快/6pV快=2.3m/min=0.038m/sfmax=10000.038/0.01=3800(Hz).步進電機的選擇查表得Tq/Tjm=0.866步進電機最大靜轉矩Tjm=Tq/0.866=445/0.866=513(N?cm)綜合以上條件及加工要求選用110BYG260A步進電機，三相六拍事情方法。110BYG260A步進電機主要技能參數如表3-3：表3-3步距角o最大靜轉矩N?cm最高空載啟動頻率step/s運行頻率step/s相數電壓V相電流A外徑mm長度mm軸徑mm重量N0.75/1.58001500700028041101681465數控銑床電氣控制系統的設計第四部門控制系統的設計a第四部門控制系統的設計通過RS-232串行通信電纜連接PC和PLC,PC作為上位機，PLC作為下位機，PC機主要用來體例PLC步伐，有時也發送控制信息。各功效模塊是由PLC直接控制的，如PLC控制20GM，20GM是位置控制單位，它既可以實現單軸定位控制，又可以實現兩軸聯動位置控制。控制方案硬件設計將編程電纜連于20GM上，利用PC機上的定位軟件“FXVPS-E^20GM輸入定位步伐（此時，20GM的狀態開關拔向手動位置“MANU”）；PLC設置為運行狀態，運行PLC，打仗器KM2的主觸頭閉合，驅動器SH-20806c得電；20GM的狀態開關拔向自動位置“AUTO”，運行20GM；按''復位”按鈕，X軸復位，Z軸復位；中止PLC運行或PLC斷電，打仗器KM2的主觸頭斷開，驅動器SH-20806C斷電。其控制步伐接線圖如下圖單軸定位控制步伐接線圖一個盤算機數字控制系統，除了使事情臺準確定位以外，還必須控制刀具相對付工件以給定的速度，沿著指定的路徑，切削工件輪廓。這個事情首先是由插補器完成的。所謂插補，實質上是進行路徑起點和終點之間數據點的“密化”，即插補出起點和終點之間各點的坐標值。在本實驗系統中，機電一體化事情臺的X軸和Z軸能夠兩軸聯動，具有插補功效。設計中接納三菱公司的FX2N-20GM定位模塊來進行位置控制。驅動器則接納四通公司的SH-20806C兩相混淆式步進電機驅動器。由于FX2N-20GM與SH-20806C之間存在信號電平不匹配，故還需信號轉換模塊SC-01進行信號轉換。兩軸聯動圓弧插補運動軌跡插補軌跡順序示意圖.1.1PLC的型號及性能在數控銑床實驗系統中，PLC接納日本三菱公司FX2N系列可編程控制器中的FX2N-80MT，它有40個輸入點和40個輸出點，M為根本單位，T為晶體管輸出（無接點，直流負載用）。FX系列是由電源、CPU、存儲器和輸入輸出器件組成的單位型可編程控制器，并且具有AC電源、DC輸入型的內裝DC24V電源作為傳感器的幫助電源。有富厚的輸入輸出擴展設備，輸入類型為DC24V輸入，輸出類型有繼電器輸出、晶體管輸出和雙向可控硅開輸出三種。縱然出現10ms以內的瞬中斷電，可編程控制器仍可繼承事情。FX2N系列的尺度型可編程控制器內裝有帶備用電池的8K步RAM存儲器，最大可擴充到16K步:內含計時器和高速計數器;具有脈沖捕獲功效、輸入中斷功效和定時中斷功效、計數中斷功效；具有平方根、浮點數運算和PID運算功效。FX2N系列可編程控制器除了RS232接口外，另有專用的編程接口，可通過連接電纜與PC機連接。利用在PC機上運行的專用軟件，可接納SFC（順序功效圖）方法編程，也可用指令字或梯形圖編程，三種方法可以相互轉換；利用可輸入漢字的外圍設備可以給步伐添加漢字注釋并顯示。該軟件還具有實時監控功效，可監控PLC的運行狀態。別的，該PLC還具有“RUN寫入”功效，PC機使用相應的編程軟件，可在PLC運行時改變步伐。.1.2PLC的電路設計.可編程控制器的電源電路FX2N系列可編程控制器接納AC電源，自己具有AC/DC換流功效，可以作為擴展模塊的DC5V和24V輸入電源，以及傳感器的DC24V供給電源。其電源電路的組成和外部配線原理如圖4-1所示。不能將AC電源接在直流輸入輸出端子或直流電源端子上，不然會燒毀可編程控制器。根本單位的接地端子，要用截面2mm以上的電線，實行第三種接地。.可編程控制器的DC輸入電路FX2N系列可編程控制器的DC輸入形式為接點輸入或NPN開路集電極晶體管輸入，輸入電路與PLC內部電路時間接納光耦合絕緣;輸入信號電壓為DC24V,輸入信號電流為7mA,輸入ON電流為4.5mA以上，輸入OFF電流為1.5mA以下，輸入應答時間約l0ms,輸入接通時LED指示燈亮。傳感器的輸入電流可以由可編程控制器內部的DC24V電流供給，也可利用外部電源供給。利用外部電源驅動光電開關等傳感器時，該外部電源的電壓應為24V4V，傳感器的輸出晶體管應選NPN開路集電極型，且輸出晶體管要有足夠的擊穿電壓。接點輸入和傳感器輸入的原理如圖4-2所示。圖4-1PLC電源電路示意圖圖4-2PLC信號輸入電路示意圖.可編程控制器的輸出電路FX2N-80MT是晶體管輸出型PLC，其端子是4點大眾輸出型負載驅動電源，應選用DC5--30V的穩壓電源。內部電路與輸出電路之間用光耦合器斷絕，各個公用模塊之間是相互離開的，當有輸出時LED指示燈亮。最大電阻負載為:0.5A/1點、0.8A/4點或l.6A/8點（Y0,Y1以外），0.3A/1點（Y0,Y1）；最大感性負載為：12W/DC24V（Y0,Y1以外），7.2W/DC24V（Y0,Y1）；最大燈負載為:1.5W/DC24V（Y0,Y1以外），0.9W/DC24V（Y0、Y1）。開路漏電流為:0.1mA/DC30V。響應時間在0.2ms以下（其中，Y0,Y1為高速響應輸出，在DC5V0.1A時，響應頻率在20kHz以下:在DC12V?24VO.1A時，響應頻率在10kHz以下），并且另有輕負載時晶體管OFF時間變長的特點。當響應性要求高，而負載較輕時，可以虛設負載電阻，以增大電流。由于該PLC的輸出電路無內置保險，為了防備負載短路等線路妨礙破壞輸出元件，燒毀PLC的基板配線，應選用適合負載的保險。并且，對付同時ON有危險的正反轉打仗器等負載，除了用PLC內部步伐聯鎖之外，還一定要實施PLC的外部聯鎖。對付FX2N-80MT，其輸出端子的同時接通率不能高于80%。其輸出電路如圖4-3所示。圖4-3PLC輸出電路示意圖步進電機控制系統設計在數控銑床實驗系統中，有4處地方用到了四通公司的兩相混淆式步進電機。其中，機電一體化事情臺的X、Z軸需要的驅動轉矩大，接納57BYG250E,這種步進電機的步距角為0.90/1.80，接納DC24V電源，雙極恒流方法驅動。電機安裝時用前端蓋安裝止口定位。步進電機聯動控制電路設計1.FX2N-20GM性能FX2N-20GM定位模塊是日本三菱公司的FX2N系列模塊之一，內置7.8K步RAM，可以單獨使用，也可作為PLC的專用單位。FX2N-20GM通過專用連接電纜FX2N-GM-5EC與PLC連接。它輸出脈沖系列，允許用戶使用步進電機或伺服電機，并通過驅動單位來進行位置控制。一個FX2N-20GM模塊可以控制兩根軸，具有線性/圓弧插補功效。FX2N-20GM的定位可以使用相對坐標，也可使用絕對坐標，命令單位mm,deg（度）、inch,pls（脈沖）等幾種。接納自動梯形模式加快/減速，最大速度為脈沖200kHz,15300cm/min。回零操縱可以自動也可手動，DOG（近點）信號機器零點回歸，提供DOG搜索功效，通過電氣啟動點設置可以進行自動電氣零點回歸，接納具有ABS檢測功效MR-J2和MR-H型伺服電機時，可進行絕對位置檢測。FX2N-20GM的主要控制輸入信號有:FWD（手動正轉）、RVS（手動反轉）、ZRN（機器零點回歸）、5丁八區丁（自動開始）、STOP（停止）、單步操縱輸入、DOG（近點信號）,LSF（正向旋轉極限）、LSR（反向旋轉極限）、SVRDY（伺服準備）、SVEND伺服結束）、PGO（零點信號）等，控制輸出信號有:FP（正向旋轉脈沖）、RP（反向旋轉脈沖）、CLR（清除計數器）等。別的，另有12種系統參數設置、27種定位參數設置和19種110控制參數設置，可通過特殊數據寄存器來變動步伐設置（系統設置除外），如表4-1所示。FX2N-20GM配有一種專用的定位語言（Cod指令）溫順序控制語言（根本指令和應用指令）。步伐可通過專用編程東西寫入FX2N-20GM，就可進行定位操縱，也可用PLC中的步伐來進行位置控制。PLC使用FROM,TO指令可對20GM的參數進行讀寫操縱。指令格式如下：設20GM的模塊地點為#0，則第一條指令執行結果是將20GM中D9004的數據（X軸的當前位置值）讀到PLC的數據寄存器D30中，第二條指令的執行結果是把PLC的數據寄存器D350中數據（應存放運動機構的最大速度值）送到20GM的D9208中。20GM的大部門參數均可由PLC進行讀寫操縱，少部門參數只能進行讀操縱。表4-120GM的參數設置2.SH-20806c性能SH-20806C型驅動器用于驅動四通電機公司的45,57,86BYG系列以及其它品牌兩相混淆式步進電機。接納改進半步運行模式。由于接納了H橋恒相流驅動方法，并允許較大的輸入電壓范疇（DC24V?70V），包管了電機的快速響應。該驅動器接納單脈沖控制方法。輸入控制信號通過驅動器內置光耦斷絕，接納共陽極接法。要求控制信號提供至少6mA的驅動電流，信號可使用尺度TTL電平，較高的信號幅值有利于提高信號的抗滋擾能力。其控制信號有:（1