實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、摘 要 摘 要 論文詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)過(guò)程，此設(shè)計(jì)過(guò)程大致可分為以下兩部分： 論文第一部分主要進(jìn)行了數(shù)控銑床的機(jī)械部分設(shè)計(jì)。首先，論證了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，從而在總體布局上有所把握。其次，我們通過(guò)分析比較各種設(shè)計(jì)方案，根據(jù)合理性和經(jīng)濟(jì)性的指導(dǎo)思想，決定采用立式結(jié)構(gòu)，十字工作臺(tái)式，床身導(dǎo)軌水平放置。最后，通過(guò)對(duì)各零部件進(jìn)行選擇和校核，最終采用了在生產(chǎn)中已經(jīng)非常專(zhuān)業(yè)化的角接觸球軸承、圓柱形滑動(dòng)導(dǎo)軌、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠等。在機(jī)械部分設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡量考慮節(jié)約成本和互換性，保證X、Y進(jìn)給選用相同的步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠等零部件。 論文第二部分主要進(jìn)行了數(shù)控銑床的控制部分設(shè)計(jì)。其主

2、要成果是：⑴對(duì)電氣控制系統(tǒng)的組成作簡(jiǎn)單闡述，通過(guò)比較多種控制系統(tǒng)，選擇采用PLC進(jìn)行控制。⑵了解數(shù)控銑床的全部工作要求，確定采用三菱公司的FX2N系列可編程控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、兩軸聯(lián)動(dòng)和變頻調(diào)速的控制，從而實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)控制。⑶通過(guò)弱電控制強(qiáng)電，計(jì)算機(jī)數(shù)字化控制電路，成功地實(shí)現(xiàn)了工作要求，使其具有能控制電動(dòng)機(jī)啟停、正反轉(zhuǎn)、變頻調(diào)速和兩軸聯(lián)動(dòng)等功能。 關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床，兩坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)型，可編程控制器 第二章 實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床的總體設(shè)計(jì) 2.1 總體設(shè)計(jì)的基本要求 (1)滿足各種加工要求，如加工范圍、加工精度等。 (2) 確保實(shí)現(xiàn)既定工藝方法所要求

3、的工件和刀具的相對(duì)位置與相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在既經(jīng)濟(jì)又合理的條件下，盡量采用較短的傳動(dòng)鏈，以簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率。 (3) 確保銑床具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度、抗振性、熱變形及噪聲水平。 (4) 應(yīng)便于觀察加工過(guò)程，便于操作、調(diào)整和維修。 (5) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，合理可靠。 (6) 體積小，重量輕。 2.2 總體設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 (1) 運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)。包括確定機(jī)床所需運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)、形式（直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）、功能（主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、其他運(yùn)動(dòng)）及排列順序，最后畫(huà)出機(jī)床的運(yùn)動(dòng)功能圖。 (2) 基本參數(shù)設(shè)計(jì)。包括整體尺寸參數(shù)、零件尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)。 (3) 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)

4、計(jì)。包括傳動(dòng)方式、傳動(dòng)原理圖及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 (4) 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)。包括運(yùn)動(dòng)功能分配、總體布局結(jié)構(gòu)形式及總體結(jié)構(gòu)布局方案圖設(shè)計(jì)。 (5) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。包括控制方式及控制原理、控制流程圖設(shè)計(jì)、控制電路圖設(shè)計(jì)以及PLC選用和控制程序編寫(xiě)。 根據(jù)前面所提到的數(shù)控銑床應(yīng)滿足的基本要求就可以進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。在各項(xiàng)基本要求中以加工工藝要求最為重要。由加工工藝要求決定銑床所需要的運(yùn)動(dòng)。完成每個(gè)運(yùn)動(dòng)又有相應(yīng)的功能部件，這就可以確定各部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置關(guān)系。銑床的總體布局也就可以大體確定下來(lái)。 2.3 方案的比較與選擇 數(shù)控銑床與一般的數(shù)控機(jī)床一樣，是由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體

5、組成。對(duì)實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)，一方面，要求其功能完善、結(jié)構(gòu)開(kāi)放，具有與一般生產(chǎn)實(shí)用型數(shù)控銑床一樣的工作原理和工作性能；另一方面，要求其體積小、價(jià)格低，以利于此類(lèi)實(shí)驗(yàn)型銑床的普及推廣。本課題的設(shè)計(jì)主要是兩個(gè)方面：其一：機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；其二：控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這里有兩個(gè)方案： 方案一、采用減速箱，并對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行兩端支撐；減速箱采用圓柱齒輪變速，這種方案可以通過(guò)增加減速箱，達(dá)到：1.增大轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩；2.提高脈沖當(dāng)量；3.匹配慣量。對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行兩端支撐，可以盡量減少由于一端支撐，可能產(chǎn)生的彎曲，減少誤差，提高精度。 方案二、直接采用套筒式聯(lián)軸器連接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠，對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行一端支撐或兩端

6、支撐。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工安裝方便。 綜合考慮，由于切削石蠟、塑料等材料，根據(jù)計(jì)算切削力較小，最終選用步進(jìn)電機(jī)，脈沖當(dāng)量為0.01mm/step，無(wú)減速裝置，直接采用套同式聯(lián)軸器聯(lián)接電動(dòng)機(jī)軸和滾珠絲杠。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床主要目的是用于演示實(shí)驗(yàn)，行程較短，對(duì)加工精度要求不高，傳遞的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩也不是很高，而一端固定一自由的支承形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛度、臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性比較低，適用于較短和豎直的絲杠。 2.4 實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床的方案擬定 機(jī)械系統(tǒng)部分：實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床采用立式結(jié)構(gòu)，十字工作臺(tái)式，床身導(dǎo)軌水平放置，這樣布局不僅有利于減少占地面積?？傮w機(jī)床長(zhǎng)為560mm，寬為420mm，高為700mm，

7、工作臺(tái)寬160mm，長(zhǎng)160mm，可以實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)與絲杠的連接可以通過(guò)套筒式連軸器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在工作過(guò)程中，X軸和Y軸都是步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，滾珠螺母沿絲杠做水平移動(dòng)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)沿導(dǎo)軌在水平面前后左右移動(dòng)。Z軸的進(jìn)給則是手動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，從而完成銑削過(guò)程。 控制系統(tǒng)部分：通過(guò)采用三菱公司的FX2N系列可編程控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、兩軸聯(lián)動(dòng)和變頻調(diào)速的控制，從而實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)控制。其中重點(diǎn)是確定硬件電路的總體方案和軟件設(shè)計(jì)，主要有：輸入輸出接口選用及電路設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)接口和驅(qū)動(dòng)電路。 由此，可以大體畫(huà)出整體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)框圖，

8、如下圖2-1所示。 圖2-1 總體的系統(tǒng)框圖 v第三章 數(shù)控銑床機(jī)械部分設(shè)計(jì)的一般過(guò)程 3.1 銑削力的計(jì)算 3.2 主軸電機(jī)的選擇 3.3 X、Y軸銑削力的計(jì)算 3.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量頻率以及電動(dòng)機(jī)繞組的通電順序，電動(dòng)機(jī)即可獲得所需的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。 （1）應(yīng)用中需要注意的幾

9、點(diǎn)： ①步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合——每分鐘轉(zhuǎn)速不超過(guò)1000轉(zhuǎn)，（0.9度時(shí)6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過(guò)減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。 ②步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。 ③由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源， 不過(guò)要考慮溫升。 ④轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)。 ⑤

10、電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。 ⑥高精度時(shí)，應(yīng)通過(guò)機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決，也可以采用5相電機(jī)，不過(guò)其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少。 ⑦電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過(guò)改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 ⑧電機(jī)在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。 ⑨應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。 （2）步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。 ①步距

11、角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。選用1.5度。 ②靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)

12、載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)。 ③電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓） 綜上所述選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循步驟如圖3-1所示： 圖3-1 選擇電機(jī)的步驟 ④力矩與功率換算 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算如下： P=ΩM Ω=2n/60 P=2nM/60 其中P為功率，單位為瓦；Ω為每秒角速度，單位為弧度；n為每分鐘轉(zhuǎn)速

13、；M為力矩，單位為牛頓米。 P=2fM/400(半步工作) 其中f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱PPS）。 （3）混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn) 混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)正是由混合式步進(jìn)電機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的，簡(jiǎn)而言之它具有穩(wěn)定可靠、性能好、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，以和最具有可比性的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)相比為例。 首先，混合式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較高，由于驅(qū)動(dòng)器是系統(tǒng)中可靠性最薄弱的一個(gè)部分，所以系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性主要是由驅(qū)動(dòng)器的可靠性來(lái)決定的。混合式電機(jī)轉(zhuǎn)子上有永磁體，部分磁場(chǎng)已由轉(zhuǎn)子上的磁鋼產(chǎn)生，所以混合式電機(jī)繞組電流可以設(shè)計(jì)得比較小，而反應(yīng)式電機(jī)磁場(chǎng)完全由繞組電流產(chǎn)生，故欲和混合式電機(jī)產(chǎn)生相

14、同的轉(zhuǎn)矩，在電機(jī)體積相差不太大的情況下，反應(yīng)式電機(jī)所需電流就要大得多。在當(dāng)前電力電子器件水平限制下，混合式電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器就比反應(yīng)式電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器要可靠得多，同時(shí)由于大的繞組電流，反應(yīng)式電機(jī)本體的發(fā)熱情況也要嚴(yán)重的多。 實(shí)際上，為產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩，反應(yīng)式電機(jī)不僅線圈電流大，而且定子線圈匝數(shù)多，電機(jī)體積大，繞組電感也大。由于繞組電感大，反應(yīng)式驅(qū)動(dòng)器必須要以高壓驅(qū)動(dòng)才會(huì)有比較好的高頻性能，但這樣驅(qū)動(dòng)器的可靠性會(huì)明顯變差；如果反應(yīng)式驅(qū)動(dòng)器取和混合式驅(qū)動(dòng)器一樣的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，電機(jī)的高頻轉(zhuǎn)矩明顯要小，這也是反應(yīng)式電機(jī)系統(tǒng)性能比混合式電機(jī)系統(tǒng)差的一個(gè)重要原因。 混合式步進(jìn)電機(jī)一般步距角θ較小，再加上混合式步進(jìn)電

15、機(jī)共振區(qū)不明顯，振蕩較小，在控制步進(jìn)電機(jī)升降頻規(guī)律一致的情況下，運(yùn)行要比反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定。 混合式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于混合式步進(jìn)電機(jī)的制造比較復(fù)雜，電機(jī)的成本相對(duì)較高；其次是雖然混合式步進(jìn)電機(jī)共振區(qū)不明顯，振蕩較小，但依然影響性能。 脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)精度要求來(lái)確定，一般取為0.01~0.02mm。如取得太大，無(wú)法滿足系統(tǒng)精度要求，如取得太小，或者機(jī)械系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)，或者對(duì)其精度和動(dòng)態(tài)性能提出過(guò)高要求，使經(jīng)濟(jì)性降低。所以根據(jù)數(shù)控鉆銑床的精度要求，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖當(dāng)量：，步角距。由于無(wú)減速裝置，所以由=/360可知，滾珠絲杠螺距，即基本導(dǎo)程=4mm。一般來(lái)講，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)步距角較小，運(yùn)行頻

16、率高，價(jià)格較低，但功耗較大，永磁式步進(jìn)電機(jī)功耗較小，斷電后仍有制動(dòng)力矩，但步距角較大，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低，混合式步進(jìn)電機(jī)由上述兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較高。 考慮到該機(jī)床垂直進(jìn)給方向需用自鎖機(jī)構(gòu)，所以選用具有自鎖功能的混合式步進(jìn)電機(jī)。 （4）計(jì)算選擇 ①步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動(dòng)力矩的計(jì)算 銑削時(shí)：=1051.9N, =841.5N， 分別取=0.03，G=300N,=1.8mm/step =360.01[1051.9+0.03（300+841.5）]/(21.80.7) =49.4 由手冊(cè)可知：/=0.866， 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩=/0.866=49.4/0.866=57 ②確

17、定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 ，假定=0.025m/s =10000.025/0.02=1250 根據(jù)以上參數(shù)，初選混合式步進(jìn)電機(jī)。57BYGH6403采用兩相四拍的通電方式。相數(shù)，3；步距角，；電流，2.5A；靜力矩,110；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，280；引線數(shù)，4。 3.5 滾珠絲杠的選擇 （一） 滾珠絲杠的特點(diǎn) 滾珠絲杠螺母副（以下簡(jiǎn)稱滾珠絲杠副）是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)話的一種新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在數(shù)控銑床中得到了廣泛的應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠，使絲杠和螺母之間的運(yùn)動(dòng)成為滾動(dòng)，以減少摩擦。在數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)中，經(jīng)常用于代替滑動(dòng)絲杠，以提高傳動(dòng)精度。 絲杠螺母副的特點(diǎn)：

18、 （1）用較小的扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠（或螺母），可使螺母（或絲杠）獲得較大的軸向牽引力。 （2）可達(dá)到很大的降速比，使降速機(jī)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈的以縮短。 （3）能達(dá)到較高的傳動(dòng)精。用于進(jìn)給機(jī)構(gòu)時(shí),還可兼作測(cè)量元件，通過(guò)刻度盤(pán)讀出直線位移的尺寸，最小數(shù)值可達(dá)0.0001mm。 （4）傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動(dòng)效率=0.92~0.96,而一般的常規(guī)（滑動(dòng)）絲杠螺母副的=0.20~0.40。所以滾珠絲杠的傳動(dòng)效率比常規(guī)絲杠的傳動(dòng)效率提高了3~4倍。因此功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲杠螺母副的1/3~1/4。 （5）給予適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙，這樣反向時(shí)就可以沒(méi)有空程死區(qū)，反向定位精

19、度高。與常規(guī)絲杠螺母副比較有較高的軸向精度。 （6）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。滾珠絲杠基本上是滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小幾乎和運(yùn)動(dòng)速度完全無(wú)關(guān)，這樣就可以保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠基本上是滾動(dòng)摩擦，與常規(guī)絲杠螺母副比較不宜出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，故傳動(dòng)精度高。 （7）有可逆性，由于滾珠絲杠副摩擦系數(shù)小，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以由直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件，也可以作為從動(dòng)件。 （8）制造工藝復(fù)雜，滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求較高，光潔度要求也高，故制造成本高。例如絲杠和螺母上的螺旋槽滾道，一般都要求磨削成型表面的。 （9）不能自鎖，特

20、別是垂直絲杠，由于自重慣性力的關(guān)系，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需要添加制動(dòng)裝置。 在設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí)，首先要確定其名義直徑、螺距及滾珠直徑等。確定滾珠絲杠的上述參數(shù)時(shí)，目前采用的方法是，在防止疲勞點(diǎn)蝕的基礎(chǔ)上，即滾性絲杠在工作過(guò)程中受軸向負(fù)載時(shí)，在滾珠和滾道型面間使產(chǎn)生接觸應(yīng)力。在這種交變接觸應(yīng)力的作用下，經(jīng)過(guò)一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠或滾道型面產(chǎn)生疲勞剝傷，而使?jié)L珠副喪失其工作性能，這是滾球絲杠副的主要破壞形式。在設(shè)計(jì)滾珠絲杠副時(shí)，必須保證在一定的軸向負(fù)載作用下，這種名義直徑D和螺距t的滾珠絲杠在回轉(zhuǎn)一百萬(wàn)轉(zhuǎn)后，在他的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這個(gè)負(fù)載的最

21、大值稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載。 （二） 滾珠絲杠的選擇計(jì)算 （1）動(dòng)載荷C的計(jì)算 其中—載荷系數(shù)取為1.0， —硬度系數(shù)取為1.2， —最大的工作負(fù)載 L—使用壽命 工作負(fù)載F是指數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，他的數(shù)據(jù)可用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算： 對(duì)于類(lèi)似燕尾型尋軌的機(jī)床 = —X方向的切削力 —Y方向的切削力 —Z方向的切削力 G—移動(dòng)部件的重量 —導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) k—考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) 選用滾動(dòng)導(dǎo)軌，在正常潤(rùn)滑情況下，對(duì)于類(lèi)似燕尾型尋軌 k=1.4 ，=0.03 在銑削過(guò)程中，=841.5N ，=0， =1

22、051.9N ，G=300N =1.40+0.03(841.5+21051.9+300)=97.4N 而L=60nT/10 式中n—滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min） T—使用壽命（小時(shí)） 對(duì)于數(shù)控機(jī)床，n一般取1250 r/min，T一般取15000h， 因?yàn)長(zhǎng)=60125015000/10=1125 C=1.01.294.7=1181.9N 查表初步選用的型號(hào)為N系列1604-3，3列Q=4612N較為合適，這是一種內(nèi)循環(huán)墊片調(diào)隙單螺母的滾珠絲杠副，其主要參數(shù)如下： 名義直徑：=20mm，基本導(dǎo)程t=5mm，鋼球直徑：=3.725 mm ，絲杠內(nèi)徑=17.96mm，絲杠外徑=

23、19.4mm ，循環(huán)列數(shù)3，額定動(dòng)負(fù)載=6367 N ，螺母外徑D=72 mm，螺母內(nèi)徑=32 mm，螺母長(zhǎng)度L=40 mm。 （2）校核 ①效率計(jì)算： 從《機(jī)械原理》中得知，滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 式中：—螺紋的螺旋升角； = —摩擦角； 滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)=0.003~0.004， 其摩擦角約等于(=0.003~0.004)。 0.965 ②剛度的驗(yàn)算 數(shù)控機(jī)床的滾珠絲杠是一種精密的傳動(dòng)元件，它在工作負(fù)載P的作用下，將伸長(zhǎng)或縮短，在扭矩M的作用下，將向一方或另一方扭轉(zhuǎn)，這樣，滾珠絲杠的螺距就要產(chǎn)生變化，從而影響其傳動(dòng)精度和定位精度，因此，滾珠絲杠應(yīng)驗(yàn)算其滿載

24、時(shí)的變形量。 從《材料力學(xué)》中得知，滾珠絲杠受工作負(fù)載（軸向力）P的作用而引起一個(gè)螺距t的變化量,可按下式計(jì)算： (cm) 其中：P—工作負(fù)載； t—滾珠絲杠螺距； E—彈性模數(shù)，對(duì)鋼而言（E=20.1）； F—滾珠絲杠的橫截面積（按內(nèi)徑而定）； =1.4cm 滾珠絲杠受扭矩M作用而引起一個(gè)螺距t的變化量，可以按下式計(jì)算： (cm) 其中—在扭矩M的作用下，滾珠絲杠每一螺距長(zhǎng)度兩截面上的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角； 其中，M—扭矩（）, =6.43 G—扭轉(zhuǎn)彈性；對(duì)鋼而言，G= —滾珠絲杠載面積的極慣性矩 （其中d—滾珠絲杠的內(nèi)徑，cm）

25、 =2889.8 = =1.06 ==6.75cm(可忽略不計(jì)) 如果Y方向的滾珠絲杠的長(zhǎng)度為100cm,則整個(gè)工作長(zhǎng)度上的螺距變形總誤差： △=100/0.4=3.5cm/m 查表得對(duì)E級(jí)絲杠，允許誤差△=15，故該滾珠絲杠滿足要求。 ③穩(wěn)定性驗(yàn)算 機(jī)床的進(jìn)給絲杠通常是一種受軸向力的壓桿，如果軸向力過(guò)大，可使絲杠失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生翹曲。機(jī)床上的進(jìn)給絲杠一般均為長(zhǎng)柱。長(zhǎng)柱壓桿失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載，可用《材料力學(xué)》中的歐拉公式計(jì)算 （N） E—絲杠材料的彈性模數(shù)，對(duì)鋼而言E=2.1； J—截面慣性矩，對(duì)實(shí)心圓桿而言，=1445； l—絲杠的工

26、作長(zhǎng)度，l=20cm； u—絲杠的軸端系數(shù)，由支撐條件決定，本設(shè)計(jì)是兩端向心軸承，u=1 =7.5N 臨界負(fù)載與工作負(fù)載P之比成為穩(wěn)定性安全系數(shù)。如果穩(wěn)定性安全系數(shù)大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[]，則該壓桿安全不致失穩(wěn)。 7.7>>[]=4 故此滾珠絲杠不致失穩(wěn)。 ④由于鉆、銑工作時(shí)，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速比較低，滾珠絲杠傳動(dòng)時(shí)的振動(dòng)就會(huì)非常小，所以臨界轉(zhuǎn)速就不用校核了。 3.6 軸承的選擇 機(jī)床傳動(dòng)軸的滾動(dòng)軸承的失效形式，主要是在循環(huán)接觸應(yīng)力下的作用，滾動(dòng)體和滾道表面上出現(xiàn)疲勞破環(huán)。即通常所說(shuō)的疲勞剝落。而絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠和工作臺(tái)的重量外，一般無(wú)外載荷，對(duì)絲杠軸承

27、的要求主要是軸向精度和剛度較高，摩擦力矩要小。所以選用角接觸球軸承，該軸承是與滾珠絲杠配合的專(zhuān)用軸承，其主要特點(diǎn)如下： （1）接觸角大，鋼球數(shù)多，承載能力高，剛度高。 （2）既能承受軸向載荷，也能承受徑向載荷，支撐結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化。 （3）軸承啟動(dòng)摩擦力矩小，降低絲杠副的驅(qū)動(dòng)功率，提高進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度。 現(xiàn)選用7000C型號(hào)，基本尺寸為:d=10mm，外徑D=26mm，寬度B=8mm，基本額定動(dòng)負(fù)荷=4.29KN，基本額定靜載荷=2.25KN，極限轉(zhuǎn)速（油潤(rùn)滑）為28000。 對(duì)軸承的疲勞壽命進(jìn)行校核：由《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知， 軸承的基本額定壽命為： 式中：P—當(dāng)量動(dòng)載荷；

28、 —基本額定壽命； —壽命指數(shù)，一般球軸承=3； n—軸承工作轉(zhuǎn)速，n=1250； C—基本額定動(dòng)載荷，C=2250N； 其中： —沖擊載荷系數(shù)，取1.1； —徑向載荷； X、Y—徑向動(dòng)載荷系數(shù)和軸向動(dòng)載荷系數(shù)。X=0.44,Y=1； P=1.1(0.440+97.4)=107.1N 123628.3h>15000h 所以該軸承的選用也是合格的。 3.7 導(dǎo)軌的選擇 銑床上的直線運(yùn)動(dòng)部件都是沿著它的床身、立柱、橫梁等支承件上的導(dǎo)軌進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的，導(dǎo)軌的作用概括地說(shuō)是對(duì)運(yùn)動(dòng)部件起導(dǎo)向和支承作用。在導(dǎo)軌副（如工作臺(tái)和床身導(dǎo)軌）中，運(yùn)動(dòng)的另一方（如工作臺(tái)導(dǎo)軌）

29、叫作動(dòng)導(dǎo)軌，不動(dòng)的另一方（如床身導(dǎo)軌）叫做支承導(dǎo)軌。 按摩擦性質(zhì)分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。在滑動(dòng)導(dǎo)軌中有靜壓導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和普通滑動(dòng)導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)軌的原理和靜壓滑動(dòng)軸承相同，該導(dǎo)軌多用于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。動(dòng)壓倒軌，當(dāng)導(dǎo)軌面間的相對(duì)滑動(dòng)速度達(dá)到一定值后，液體的動(dòng)壓效應(yīng)是導(dǎo)軌的油腔處出現(xiàn)壓力油楔，把兩導(dǎo)軌面分開(kāi)，從而形成以液體摩擦，這種導(dǎo)軌只能用于高速的場(chǎng)合，故僅用作主運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，例如立式銑床導(dǎo)軌。普通滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦狀態(tài)有的為混合摩擦。 按受力狀態(tài)可分為開(kāi)式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。在部件自重和外載作用下，導(dǎo)軌面在導(dǎo)軌全長(zhǎng)上可以始終貼合的稱為開(kāi)式導(dǎo)軌，如龍門(mén)銑床的工作臺(tái)和床身導(dǎo)軌。部件的自重不能使主導(dǎo)軌面始終貼合

30、，就必須增加壓板，形成輔助導(dǎo)軌面，稱為閉式導(dǎo)軌。 （一）導(dǎo)軌選擇考慮的因素： （1）導(dǎo)向精度 導(dǎo)軌在空載下運(yùn)動(dòng)和在切削條件下運(yùn)動(dòng)時(shí)，都應(yīng)具有足夠的導(dǎo)向精度。保證軸承運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，是保證導(dǎo)軌工作質(zhì)量的前提。 （2）幾何精度 直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的幾何精度一般包括：導(dǎo)軌在豎直平面內(nèi)的直線度（簡(jiǎn)稱A項(xiàng)精度）；導(dǎo)軌在水平平面內(nèi)的直線度（簡(jiǎn)稱B項(xiàng)精度）；兩導(dǎo)軌面間的平行度，也叫作扭曲（簡(jiǎn)稱C項(xiàng)精度）。在A、B兩項(xiàng)精度中，都規(guī)定了導(dǎo)軌在每米長(zhǎng)度上和導(dǎo)軌全長(zhǎng)上，兩導(dǎo)軌面間在橫向每米長(zhǎng)度上的扭曲值。 （3）接觸精度 磨削和刮研的導(dǎo)軌表面，接觸精度按的規(guī)定，采用著色法進(jìn)行檢查。用接觸面所占的百分比或面積內(nèi)

31、接觸點(diǎn)數(shù)衡量。 （4）精度保持性 影響精度保持性的主要因素是磨損。提高耐磨性以保持精度，是提高機(jī)床質(zhì)量的主要內(nèi)容之一，也是科學(xué)研究的一大課題。常見(jiàn)的磨損形式有磨料（硬粒）磨損、粘著磨損（或咬焊）和接觸疲勞。磨料磨損經(jīng)常發(fā)生在邊界摩擦和混合摩擦狀態(tài)。磨粒夾在導(dǎo)軌面間隨之相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成對(duì)導(dǎo)軌面的切削，使導(dǎo)軌面產(chǎn)生劃傷。磨料的硬度越高，相對(duì)滑動(dòng)速度越大，壓強(qiáng)越大，對(duì)摩擦副的危害也越大。磨料磨損很難避免，是導(dǎo)軌防護(hù)的重點(diǎn)。粘著磨損也稱為分子——機(jī)械磨損。當(dāng)兩個(gè)摩擦表面相互接觸時(shí)，在高壓強(qiáng)下材料產(chǎn)生塑性變形，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦，又使表面層的氧化膜破壞，在新暴露出來(lái)的金屬表面之間，就會(huì)產(chǎn)生分子間的相互吸

32、引和滲透，使接觸點(diǎn)粘結(jié)而發(fā)生咬焊。接觸面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)又要將咬焊點(diǎn)拉開(kāi)，就造成撕裂性破壞。咬焊是不允許發(fā)生的。接觸疲勞發(fā)生在滾動(dòng)摩擦副中，也是無(wú)法避免的。 （5）低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 當(dāng)導(dǎo)軌作低速運(yùn)動(dòng)或微量位移時(shí)，應(yīng)保證導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，即不出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料和潤(rùn)滑，與動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的差值，與傳動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈的剛度有關(guān)。 （6）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單平穩(wěn)性好 大多數(shù)機(jī)床的導(dǎo)軌都要淬硬，因此導(dǎo)軌的精加工，不能淬硬。設(shè)計(jì)時(shí)要注意使導(dǎo)軌的制造和維修方便，刮研量少。如果采用鑲裝導(dǎo)軌，則應(yīng)盡量做到更換容易。 （二）導(dǎo)軌的潤(rùn)滑 （1）潤(rùn)滑的目的、要求及方法 潤(rùn)滑的目的是為了降低摩擦力

33、、減少磨損、降低溫度和防止生銹。潤(rùn)滑要求供給導(dǎo)軌清潔的潤(rùn)滑油。油量可以調(diào)節(jié)。盡量采取自動(dòng)和強(qiáng)制潤(rùn)滑。潤(rùn)滑元件要可靠。要有安全裝。例如靜壓導(dǎo)軌在未形成油膜之前不能開(kāi)車(chē)和潤(rùn)滑不正常有報(bào)警信號(hào)等。 導(dǎo)軌的潤(rùn)滑方式有很多。可以人工定期向?qū)к壝鏉灿?。此法?jiǎn)單易行，但不能經(jīng)常保證足夠的潤(rùn)滑。也可在運(yùn)動(dòng)部件上裝油杯，使油沿油孔流或滴向?qū)к壝?，也可在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌面上裝潤(rùn)滑電磁泵。或手動(dòng)潤(rùn)滑油泵，定時(shí)拉動(dòng)幾下供油。 為使?jié)櫥驮趯?dǎo)軌面上較均勻的分布，保證潤(rùn)滑效果，需在導(dǎo)軌面上開(kāi)出油溝。 （2）潤(rùn)滑油的選擇 導(dǎo)軌常用的潤(rùn)滑劑有潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂，滑動(dòng)導(dǎo)軌用潤(rùn)滑油，滾動(dòng)導(dǎo)軌兩者都可用。 導(dǎo)軌潤(rùn)滑油的粘度可根據(jù)導(dǎo)軌

34、的工作條件和潤(rùn)滑方式選擇。高速低載荷可用粘度較低的潤(rùn)滑油，反之，則用粘度較高的潤(rùn)滑油。低載荷，高、中速的中、小型機(jī)床進(jìn)給導(dǎo)軌，可用導(dǎo)軌油；中載荷的中低速導(dǎo)軌，可采用導(dǎo)軌油；重型機(jī)床的低速導(dǎo)軌，可用或?qū)к売汀? 3.8 聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器是用來(lái)聯(lián)接兩進(jìn)給機(jī)構(gòu)的兩根軸使之一起回轉(zhuǎn)傳遞扭矩和運(yùn)動(dòng)的一種裝置。目前聯(lián)軸器的類(lèi)型繁多，有液力式、電磁式和機(jī)械式。機(jī)械式聯(lián)軸器的應(yīng)用最為廣泛。 套筒聯(lián)軸器構(gòu)造簡(jiǎn)單，徑向尺寸小，但裝卸困難（軸需作軸向移動(dòng)）。且要求兩軸嚴(yán)格對(duì)中，不允許有徑向或角度偏差，因此使用時(shí)受到一定限制。　　繞行聯(lián)軸器采用錐形夾緊環(huán)傳遞載荷，可使動(dòng)力傳遞沒(méi)有方向間隙?！　? 凸緣式聯(lián)軸器

35、構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本的、可傳遞較大扭矩，常用于轉(zhuǎn)速低、五種及、軸的剛性大及對(duì)中性好的場(chǎng)合。他的主要缺點(diǎn)是對(duì)兩軸的對(duì)中性要求很高。若兩軸間存在位移與傾斜，救在機(jī)件內(nèi)引起附加載荷，使工作狀況惡化。 由此，在進(jìn)行數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)時(shí)，具體選用何種聯(lián)軸器應(yīng)根據(jù)上述幾種類(lèi)型各自的優(yōu)缺點(diǎn)予以全面考慮。 3.9 傳動(dòng)裝置的選擇 傳動(dòng)裝置種類(lèi)繁多，一般選用閉式標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的適用范圍很廣，傳遞功率可高達(dá)數(shù)萬(wàn)千瓦，圓周速度可達(dá)150m/s(最高可達(dá)300m/s)。和其他機(jī)械傳動(dòng)比較，齒輪傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是工作可靠，使用壽命長(zhǎng)；瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)；傳動(dòng)效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度適用范圍很廣等。 第四章

36、 實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床機(jī)械部分設(shè)計(jì) 由于所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床不同于一般實(shí)用加工型數(shù)控銑床，它主要用來(lái)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，加工材料主要是石蠟或塑料，機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)中沒(méi)有針對(duì)此種材料列出銑削力的計(jì)算公式，即使套用軟的材料來(lái)估算銑削力，也難免引起大的誤差，因此，不能完全按照前一章的設(shè)計(jì)計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須綜合考慮，下面就來(lái)介紹實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床的主要設(shè)計(jì)過(guò)程。 4.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇 銑削力由刀具的材料、銑削工件的材料、切削用量等很多因素決定。對(duì)于本次銑床的設(shè)計(jì)，有特殊性，可采用三相異步電動(dòng)機(jī)的電機(jī)功率和主軸上傳動(dòng)的功率反估算出工作臺(tái)進(jìn)給時(shí)的銑削力。這里可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用型號(hào)為三相異步電動(dòng)機(jī)即可滿足實(shí)驗(yàn)型數(shù)控

37、銑床主軸驅(qū)動(dòng)的要求，其功率為90W，，。 該銑床的主傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)均用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給傳動(dòng)的功率較小，可在主傳動(dòng)功率上乘以一個(gè)系數(shù)，有機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查的銑床=0.85。 主傳動(dòng)功率P包括銑削功率，空載功率，附加功率三部分，即：P =++，空載功率是當(dāng)機(jī)床無(wú)切削負(fù)載時(shí)主傳動(dòng)系統(tǒng)所消耗的功率，對(duì)于一般輕載高速的中、小型機(jī)床，可達(dá)總功率的，現(xiàn)取=0.5P，附加功率是指有了切削載荷后所增加的傳動(dòng)件的摩擦功率，它直接與載荷大小有關(guān)，可以用下面的式子計(jì)算：=， 故總功率為：P=+0.5 P+，=0.5P/(2－)， 在進(jìn)給傳動(dòng)中銑削功率 26.9W 切削時(shí)主軸上的扭矩為： 現(xiàn)用代入得=131.0

38、 設(shè)銑刀的最大直徑為8mm，銑削力 銑削加工時(shí)銑削進(jìn)給抗力與銑削力之間的比值由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得/=1.0~1.2，取/=1.0，則=163.75N。 垂直分力與的比值為0.75~0.8，取/=0.75，則=122.8N。 （1） 脈沖當(dāng)量、步距角和絲杠導(dǎo)程的選擇 脈沖當(dāng)量、步距角、絲杠導(dǎo)程和降速比之間的關(guān)系為： 其中，； 又由于無(wú)減速裝置，所以取1，可得=4 mm。 （2） 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動(dòng)力矩的計(jì)算 式中：—脈沖當(dāng)量； —銑削進(jìn)給抗力（N）； —垂直分力 （N）； G—移動(dòng)部件的總重量 G=250N；

39、 —摩擦系數(shù) 設(shè)=0.2； 則=360.01[163.75+0.2（250+122.8）]/(20.90.58) =26.2 由手冊(cè)可知：/=0.866， 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩=/0.866=26.2/0.866=30.25 （3） 確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 ，假定=0.02m/s =10000.02/0.01=2000 （4）選擇步進(jìn)電機(jī) 根據(jù)以上參數(shù)，初選混合式步進(jìn)電機(jī)。57BYG250E采用兩相四拍的通電方式。相數(shù):2；步距角；電流3A；靜力矩110；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: 330。 4.2 滾珠絲杠的選擇 （1）進(jìn)給率引力的估算 作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給率引力主要

40、包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)。 本次實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床采用圓柱形導(dǎo)軌，其相應(yīng)的計(jì)算公式為： 式中 、、—切削分力； —主軸上的扭矩； —主軸直徑； —軸套和軸架以及主軸的鍵上摩擦系數(shù)； 由經(jīng)驗(yàn)取=10 ， 已知=122.8 則 （2）最大動(dòng)負(fù)載的計(jì)算 選用滾珠絲杠副的直徑時(shí)，必須保證在一定的軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)轉(zhuǎn)后，在一定的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載，可用下式計(jì)算： 式中 L—使用壽命 以轉(zhuǎn)

41、為一單位，； —絲杠轉(zhuǎn)速（），用下式計(jì)算； —最大銑削力條件下的進(jìn)給速度（），可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3； —絲杠導(dǎo)程，（）； —運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，見(jiàn)表4-1： 表4-1 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 無(wú)沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 1.0~1.2 一般運(yùn)轉(zhuǎn) 1.2~1.5 有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 1.5~2.5 因此 1260； ； （3）滾珠絲杠的選擇 查表初步選用的型號(hào)為，這是一種內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)反向器單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊滾珠絲杠副，其主要參數(shù)如下： 名義直徑：=20mm；基本導(dǎo)程=4mm；鋼球直徑：=3mm ；絲杠內(nèi)徑，此處取16mm ；絲杠外徑=19

42、.2mm ；循環(huán)列數(shù)2 ；額定動(dòng)負(fù)載 =4；螺母外徑 =60mm；螺母長(zhǎng)度L=48 mm。 （4）傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 式中 —絲杠螺旋長(zhǎng)升角，=； —摩擦角，約為； —絲杠導(dǎo)程； —絲杠公稱直徑； 則 （5）剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，故應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素。 ① 絲杠的拉伸或壓縮變形量 在總的變形量中占的比重較大，先計(jì)算滾珠絲杠受工作負(fù)載 的作用引起的導(dǎo)程的變形量( mm) = 式中：E—彈性模數(shù)，對(duì)鋼而言（E=20.1）； F—滾珠絲杠的橫截面積（

43、按內(nèi)徑而定）； 得 = 又因絲杠的拉伸或壓縮變形量= 式中 —滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度（mm），假設(shè)=200 mm 那么 = ② 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 當(dāng)滾珠絲杠加有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向最大負(fù)載的1/3時(shí)， 可減少一半，無(wú)預(yù)緊力時(shí)： = 式中 —一圈的滾珠數(shù)，=18； —滾珠數(shù)量，=圈數(shù)列數(shù)=1822=72；那么： =。 ③ 其它變形量 其它變形量對(duì)精度影響不大。 ④ 總變形量 4.67。 （6）穩(wěn)定性驗(yàn)算 機(jī)床的進(jìn)給絲杠通常是一種受軸向力的壓桿，如果軸向力過(guò)大，可使絲杠失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生翹曲，機(jī)床上的進(jìn)給絲杠一般均為長(zhǎng)柱。 產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)

44、載 式中 I—截面慣性矩（），； —絲杠的支承方式系數(shù)，（當(dāng)一端固定，一端自由時(shí)，為0.25）； l—絲杠兩支承端的距離，取20； 則 = 臨界負(fù)載與最大工作負(fù)載之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果=則絲杠不失穩(wěn)。一般取=2.5~4， =2.4>> 所以所選絲杠不失穩(wěn)。 （7）滾珠絲杠支承選擇 本傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠采用一端固定一端自由的結(jié)構(gòu)形式，固定端采用一對(duì)型號(hào)為7001C的角接觸球軸承背對(duì)背組配。 4.3 導(dǎo)軌的選擇 導(dǎo)軌按接觸面的摩擦性質(zhì)可以分為滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌三種。 滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、剛度好、抗振性高等優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)床上使

45、用最廣泛的導(dǎo)軌形式。通過(guò)選用合適的導(dǎo)軌材料和采用相應(yīng)的熱處理及加工方法，可以提高滑動(dòng)導(dǎo)軌的耐磨性及改善其摩擦特性。 本次實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)選用滑動(dòng)導(dǎo)軌中的圓柱形導(dǎo)軌。 圓柱形導(dǎo)軌其優(yōu)點(diǎn)為制造簡(jiǎn)單，內(nèi)孔可珩磨，與磨削后的外圓可以精密配合。 第五章 實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床的控制系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)與被控機(jī)床本體的結(jié)合體稱為數(shù)控機(jī)床。它集機(jī)械制造、計(jì)算機(jī)、微電子、現(xiàn)代控制及精密測(cè)量等多種技術(shù)為一體，使傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝發(fā)生了質(zhì)的變化。這個(gè)變化的本質(zhì)就在于用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程的自動(dòng)化。 5.1 數(shù)控系統(tǒng)的組成 數(shù)控系統(tǒng)一般由輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、驅(qū)動(dòng)控制裝置、機(jī)床電氣邏輯控制裝置四部分組成，

46、機(jī)床本體為被控對(duì)象，如圖5-1所示。 圖5-1 數(shù)控系統(tǒng)組成的一般形式 數(shù)控系統(tǒng)是嚴(yán)格按照外部輸入的程序?qū)ぜM(jìn)行自動(dòng)加工的。數(shù)控加工程序按零件加工順序記載機(jī)床加工所需的各種信息，有零件加工的軌跡信息（如幾何形狀和幾何尺寸等）、工藝信息（如進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速等）及開(kāi)關(guān)命令（如換刀、冷卻液開(kāi)/關(guān)和工作裝/卸等）。加工程序常常記錄在各種信息載體上，通過(guò)各種輸入裝置，信息載體上的數(shù)控加工程序?qū)⒈粩?shù)控裝置所接收。 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用可編程控制器取代了傳統(tǒng)的機(jī)床電器邏輯控制裝置，用可編程控制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)控機(jī)床的各種繼電器控制邏輯?？删幊炭刂破骺晌挥跀?shù)控裝置之外，稱獨(dú)立型可編程控制器；可以與數(shù)控裝置

47、合為一體，稱內(nèi)裝型可編程控制器。 5.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC）是以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置。它是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為了工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，主要用于代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。這種控制裝置將傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)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(diǎn)，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，它的功能早已大大超出了邏輯控制的范圍，因此近年來(lái)在工業(yè)自動(dòng)控制，機(jī)電一體化，改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面得到廣泛地應(yīng)用。 雖然各種PLC的組成各不相同，但是在結(jié)構(gòu)上是基本相同的，一般由CPU，存儲(chǔ)器

48、，輸入輸出設(shè)備（I/O）和其他的可選部件組成。CPU是PLC的核心，它用于輸入各種指令，完成預(yù)定的任務(wù)。自整定，預(yù)測(cè)控制和模糊控制等先進(jìn)的控制算法也已經(jīng)在CPU中得到了應(yīng)用存儲(chǔ)器包括隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM，通常將程序以及所有的固定參數(shù)固化在ROM中，RAM則為程序運(yùn)行提供了存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與計(jì)算中間變量的空間；輸入輸出系統(tǒng)（I/O）使過(guò)程狀態(tài)和參數(shù)輸入到PLC的通道以及實(shí)時(shí)控制信號(hào)輸出的通道，這些通道可以有模擬量輸入、模擬量輸出、開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出、脈沖量輸入等，使PLC的應(yīng)用十分廣泛。 5.2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 任何一種控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的工藝要求，

49、以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則： 1 b8 e& [（1）最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求2 C% I: f9 |" O, { - m5 T8 ?m& d充分發(fā)揮PLC的功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求，是設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。這就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前就要深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，收集控制現(xiàn)場(chǎng)的資料，收集相關(guān)先進(jìn)的國(guó)內(nèi)、國(guó)外資料。同時(shí)要注意和現(xiàn)場(chǎng)的工程管理人員、工程技術(shù)人員、現(xiàn)場(chǎng)操作人員緊密配合，擬定控制方案，共同解決設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問(wèn)題和疑難問(wèn)題。 / l8 e ?; r/ i% y7 u, N3 H5 o

50、8 _2 |- J, I（2）保證PLC控制系統(tǒng)安全可靠" V+ p# F* ]T$ Z$ ^1 , a: @" Q5 v$ t: }. a保證PLC控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確保控制系統(tǒng)安全可靠。例如：應(yīng)該保證PLC 程序不僅在正常條件下運(yùn)行，而且在非正常情況下（如突然掉電再上電、按鈕按錯(cuò)等），也能正常工作。 （3）* `7 s9 m3 {4 D- }4 l8 p 力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便& hO 一個(gè)新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但新

51、工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護(hù)也將導(dǎo)致運(yùn)行資金的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地?cái)U(kuò)大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設(shè)計(jì)者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護(hù)方便、成本低，不宜盲目追求自動(dòng)化和高指標(biāo)。 ( O8 x1 {2 ~" o6 x) o: I) x（8 {994）適應(yīng)發(fā)展的需要 #由于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會(huì)不斷地提高，設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。這就要求在選擇PLC、輸入/輸出模塊、I/O點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量時(shí)，要適當(dāng)留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)。 , a: @"

52、Q5 v$ t: }. a保證PLC控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠。例如：應(yīng)該保證PLC 程序不僅在正常條件下運(yùn)行，而且在非正常情況下（如突然掉電再上電、按鈕按錯(cuò)等），也能正常工作。 （3）* `7 s9 m3 {4 D- }4 l8 p 力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便& hO 一個(gè)新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護(hù)也將導(dǎo)致運(yùn)行資金的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地?cái)U(kuò)大工程的效

53、益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設(shè)計(jì)者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護(hù)方便、成本低，不宜盲目追求自動(dòng)化和高指標(biāo)。 ( O8 x1 {2 ~" o6 x) o: I) x（8 {994）適應(yīng)發(fā)展的需要 #由于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會(huì)不斷地提高，設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。這就要求在選擇PLC、輸入/輸出模塊、I/O點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量時(shí)，要適當(dāng)留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)。 5.2.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟 （1）確定系統(tǒng)運(yùn)行方式與控制方式。PLC可構(gòu)成各種各樣的控制系統(tǒng)，如單機(jī)控制系統(tǒng)、集中控制

54、系統(tǒng)等。在進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要確定系統(tǒng)的構(gòu)成形式。 （2）選擇用戶輸入設(shè)備(按鈕、操作開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、傳感器等)、輸出設(shè)備(繼電器、接觸器、信號(hào)燈等執(zhí)行元件)以及由輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)的控制對(duì)象(電動(dòng)機(jī)、電磁閥等)。這些設(shè)備屬于一般的電氣元件，其選擇的方法屬于其他課程的內(nèi)容。 （3）PLC的選擇。PLC是控制系統(tǒng)的核心部件，正確選擇PLC對(duì)于保證整個(gè)控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要的作用。選擇PLC應(yīng)包括機(jī)型選擇、容量選擇、I/O模塊選擇、電源模塊選擇等。 （4）分配I/O點(diǎn)，繪制I/O連接圖，必要時(shí)還須設(shè)計(jì)控制臺(tái)(柜)。 （1）確定系統(tǒng)運(yùn)行方式與控制方式。PLC可構(gòu)成各種各樣的控制系統(tǒng)，如單

55、機(jī)控制系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)等。在進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要確定系統(tǒng)的構(gòu)成形式。 （2）選擇用戶輸入設(shè)備(按鈕、操作開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、傳感器等)、輸出設(shè)備(繼電器、接觸器、信號(hào)燈等執(zhí)行元件)以及由輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)的控制對(duì)象(電動(dòng)機(jī)、電磁閥等)。這些設(shè)備屬于一般的電氣元件，其選擇的方法屬于其他課程的內(nèi)容。 （3）PLC的選擇。PLC是控制系統(tǒng)的核心部件，正確選擇PLC對(duì)于保證整個(gè)控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要的作用。選擇PLC應(yīng)包括機(jī)型選擇、容量選擇、I/O模塊選擇、電源模塊選擇等。 （4）分配I/O點(diǎn)，繪制I/O連接圖，必要時(shí)還須設(shè)計(jì)控制臺(tái)(柜)。 5.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性

56、與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源有密切聯(lián)系。驅(qū)動(dòng)電源由環(huán)形脈沖分配器、功率放大器組成如圖5-2所示： 圖5-2 驅(qū)動(dòng)電源 驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號(hào)源（微機(jī)或數(shù)控裝置等）送來(lái)的脈沖信號(hào)及方向信號(hào)按照要求的配電方式自動(dòng)地循環(huán)供給電動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號(hào)脈沖電流一般只有幾個(gè)毫安，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大，使其增加到幾至幾十毫安，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量和頻率就可精確地控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和速度。 環(huán)形分配器輸出的電流很?。ê涟布?jí)），不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，需要功率器將脈沖電流放大到幾安培

57、甚至幾十安培，才能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。放大電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)的性能起著非常重要的作用。功率放大的類(lèi)型很多，從放大元器件來(lái)分，可以用功率晶體管、可關(guān)斷晶閘管、混合元件來(lái)組成放大電路；從工作原理來(lái)分，有單電壓、高低電壓切換、恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓、細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路等。從工作原理上講，目前用的最多的是恒流斬波電路。 CNC系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的要求是要能提供幅值足夠、前沿較好的激磁電流，并且本身功耗小，效率高，運(yùn)行可靠平穩(wěn)。 基于以上原則，作者采用了SH-20806C型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該型驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)四通電機(jī)42、45、56、57、86BYG系列以及其他品牌兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，采用改善半步運(yùn)行模式。由于采用了H

58、橋恒相流驅(qū)動(dòng)方式，并允許較大的輸入電壓范圍，保證了電機(jī)的快速響應(yīng)。尤其是采用特殊技術(shù)消除了標(biāo)準(zhǔn)半步驅(qū)動(dòng)方式下的力矩波動(dòng)，從而使電機(jī)出力提高約40％，同時(shí)抑制了振動(dòng)，降低了噪音。超大規(guī)模集成電路的使用結(jié)合四通電機(jī)成熟完善的功率電子技術(shù)，使該款驅(qū)動(dòng)器具有高功率，小體積，性能突出，成本低廉的特點(diǎn)。適用于分辨率要求不高，大批量，低成本的應(yīng)用場(chǎng)合。 5.4 變頻器的選擇 5.4.1 變頻器的結(jié)構(gòu) 它主要包括接線端子和操作面板兩大部分。操作面板用來(lái)進(jìn)行內(nèi)部控制方式的各種操作和各種參數(shù)的設(shè)置。接線端子使變頻器和電動(dòng)機(jī)、外部控制信號(hào)連接。 常用控制信號(hào)接線端子的功能如下表所示。 端子號(hào) 端子名稱

59、 端子功能 相關(guān)參數(shù)的設(shè)定值 1 頻率設(shè)定用電位器輸入端 電位器的固定端接端子1、3，中心引線接2。調(diào)節(jié)電位器，即可改變?cè)O(shè)定頻率 P09:應(yīng)設(shè)為2 2 頻率設(shè)定模擬量輸入端 3 公共端 5 運(yùn)行/停止輸入端 5與3導(dǎo)通，變頻器RUN，否則STOP P08：應(yīng)設(shè)為4 6 正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)輸入端 6與3導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，否則反轉(zhuǎn) 10 開(kāi)路式輸出端 根據(jù)P25的設(shè)定值的不同，10、11接通的意義不同。詳細(xì)說(shuō)明請(qǐng)參考使用說(shuō)明書(shū)。 11 開(kāi)路式輸出端 A 繼電器觸頭輸出端 A-C為常開(kāi)觸頭、B-C為常閉觸頭，根據(jù)P26的設(shè)定值的不同，觸頭導(dǎo)通的意義不同。詳

60、細(xì)說(shuō)明請(qǐng)參考使用說(shuō)明書(shū) B 繼電器觸頭輸出端 C 繼電器觸頭輸出端 5.4.2 運(yùn)行方式 VFO超小型變頻器有內(nèi)部運(yùn)行和外部運(yùn)行兩種運(yùn)行模式。 內(nèi)部運(yùn)行模式由操作面板上的各種控制鍵實(shí)現(xiàn)變頻器頻率的設(shè)定和運(yùn)行、停止以及正、反轉(zhuǎn)控制。 外部運(yùn)行模式用連接在1、2、3端子上的外部電位器設(shè)定變頻器的頻率以及用連接在5、6與3之間的開(kāi)關(guān)的閉合、斷開(kāi)來(lái)控制變頻器的運(yùn)行、停止和正反轉(zhuǎn)。 5.5 定位模塊的選擇 三菱公司的FX2N系列PLC 在工業(yè)控制中應(yīng)用非常廣泛,利用其強(qiáng)大的功能指令能開(kāi)發(fā)出較復(fù)雜的控制功能,如專(zhuān)用數(shù)控機(jī)床上常用的兩軸聯(lián)動(dòng)功能。但要設(shè)計(jì)出有變頻升降速等一系列很完善的兩軸

61、聯(lián)動(dòng)功能,編程煩瑣,同時(shí)系統(tǒng)的控制速度很難達(dá)到。因此,在開(kāi)發(fā)如專(zhuān)用數(shù)控刨床、數(shù)控雕刻機(jī)、自動(dòng)碾鉚機(jī)等一些專(zhuān)用設(shè)備時(shí),往往用PLC 擴(kuò)展專(zhuān)用模塊FX2N- 20GM 來(lái)負(fù)責(zé)那些復(fù)雜的控制功能。20GM 是三菱公司的兩軸定位控制單元,屬于帶CPU 的智能模塊,它可實(shí)現(xiàn)完善的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等控制功能;它與PLC 并行工作,不但提高了控制功能及速度,而且大大簡(jiǎn)化了編程工作。 選用FX2N-20GM脈沖發(fā)生單元（后面稱作“PGU”），通過(guò)給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)脈沖，可實(shí)現(xiàn)兩軸定位（可實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)控制）。 作為PLC的一種特殊模塊，可單獨(dú)工作，也可與PLC連接使用。當(dāng)與FX2N系列的P

62、LC連接使用時(shí)，利用模塊自帶扁平電纜直接與PLC的擴(kuò)展口或擴(kuò)展模塊擴(kuò)展口連接；模塊地址依與PLC連接的順序從左往右分別為#0、#1、#2、……；與PLC之間使用FROM和TO 指令傳遞數(shù)據(jù)與命令。 5.5.1 主要控制信號(hào) FX2N-20GM脈沖發(fā)生單元主要控制信號(hào)的功能和意義， 如下表所示： Y軸 X軸 連接器 管腳號(hào) 連接器 管腳號(hào) 名稱 功能 COM1 1 COM2 11 START 自動(dòng)操作開(kāi)始輸入端 2 12 STOP 停止運(yùn)行輸入端 3 13 ZRN 手動(dòng)回原位輸入端 4 14 FWD 正向旋轉(zhuǎn)控制輸入端 5

63、 15 RVS 反向旋轉(zhuǎn)輸入端 6 16 DOG 原位信號(hào)輸入端 7 17 LSF 正向限位開(kāi)關(guān)輸入端 8 18 RSF 反向限位開(kāi)關(guān)輸入端 9 19 COM1 輸入信號(hào)公共端 COM4 1 COM3 1 SVRDY 伺服準(zhǔn)備好 2,12 2，12 COM6（Y） COM3（X） 1、11的公共端 6 6 FP 正向脈沖輸出端 7、8、17、18 7、8、17、18 VIN FP、RP的電源輸入 （5V、24V） 9、19 9、19 COM9（Y） COM5（X） FP、RP的公共端 11 11 SVE

64、ND 伺服定位完成 13 13 PG0 原位開(kāi)關(guān)輸入端 14 14 COM8（Y） COM4（X） 原位開(kāi)關(guān)公共端 16 16 RP 反向脈沖輸出端 5.5.2 主要參數(shù) FX2N-20GM脈沖發(fā)生單元主要參數(shù)如下表所示： 參數(shù)編號(hào) 緩沖區(qū)地址 名稱 功能與意義 X軸 Y軸 字節(jié) 0 9200 9400 2 單位體系 確定定位值、速度值的單位 （0、1、2）。 1 9202 9402 2 脈沖率 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需脈沖數(shù)量 2 9204 9404 2 進(jìn)給率 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位移量 3 920

65、6 9406 2 最小命令 單元 脈沖當(dāng)量（0、1、2、3） 4 9208 9408 2 最大速度 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以達(dá)到的最大速度 5 9210 9410 2 手動(dòng)速度 手動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度 6 9212 9412 2 點(diǎn)動(dòng)速度 點(diǎn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度 7 9214 9414 2 最低速度 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)最低運(yùn)動(dòng)速度 8 9216 9416 2 加速時(shí)間 速度從零上升到設(shè)定工作速度的時(shí)間 9 9218 9418 2 減速時(shí)間 速度從運(yùn)行工作速度下降到零的時(shí)間 11 9222 9422 2 脈沖輸出 0

66、-雙脈沖輸出，1-單脈沖輸出 12 9224 9424 2 旋轉(zhuǎn)方向 0-正脈沖正轉(zhuǎn)，1-正脈沖反轉(zhuǎn) 13 9226 9426 2 同原位速度 同原位時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度 14 9228 9428 2 同原位爬行速度 同原位時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的爬行 速度 15 9230 9430 2 原位坐標(biāo)值 同原位后的坐標(biāo)設(shè)定值 19 9238 9438 2 DOG輸入邏輯 0-常開(kāi)觸頭，1-常閉觸頭 20GM的大部分參數(shù)均可由PLC進(jìn)行讀寫(xiě)操作，少部分參數(shù)只能進(jìn)行讀操作。 5.6 控制電路設(shè)計(jì) 通過(guò)RS-232串行通信電纜連接PC和PLC，PC作為上位機(jī)，PLC作為下位機(jī)，PC機(jī)主要用來(lái)編制PLC程序，有時(shí)也發(fā)送控制信息。各功能模塊是由PLC直接控制的，如PLC控制20GM，20GM是位置控制單元，它既可以實(shí)現(xiàn)單軸定位控制，又可以實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)位置控制。 （1） 步進(jìn)電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì) FX2N-20GM