【正文】 床能自動(dòng)加工螺紋，須配置主軸脈沖編 碼器作為車(chē)床主軸位置信號(hào)的反饋元件，其目的是用來(lái)檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)角的位置，通過(guò)主軸 → 脈沖編碼器 → 數(shù)控系統(tǒng) → 步進(jìn)電機(jī)的信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架縱向移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程的車(chē)螺紋運(yùn)動(dòng)。 圖 23 主軸編碼器安裝實(shí)物圖與外形圖 型主軸編碼器 2固定支架 型聯(lián)軸器 4悶頭 5軸 X 圖 24 編碼器安裝圖 主軸編碼器選用長(zhǎng)春第一光學(xué)有限公司的 ZXB1型編碼器，如圖 22所示。此方式對(duì)連接件制造精度及安裝精度有較高的要求，否則，同軸度誤差的影 響，會(huì)引起主軸編碼器發(fā)生偏扭而造成信號(hào)不準(zhǔn)，嚴(yán)重時(shí)損壞光柵盤(pán)。因螺釘前端直接碰觸軸面，有可能引起軸受損，因此我們選用夾鉗型彈性聯(lián)軸器。鎖緊時(shí)使用扭力扳手，緊固轉(zhuǎn)矩為 1Nm。) 容許 軸間 偏移 mm 外形 A? (mm) 長(zhǎng)度 W mm 軸孔徑 d1 mm 軸孔徑 d2 mm L mm 使用 螺絲 20 26 6 8 M3 18 11179?？v向步進(jìn)電機(jī) 1 通過(guò)一對(duì)減速齒輪 2 把動(dòng)力傳遞給縱向滾珠絲杠 3，再由滾珠絲杠螺母副拖動(dòng)工作臺(tái) 4 做往復(fù)移動(dòng)。滾珠絲杠采用雙螺母螺紋預(yù)緊方本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 式消除絲杠和螺母間的間隙，調(diào)整方便。 1支架 2絲杠托架 3縱向滾珠絲杠 4絲杠防護(hù)罩 5大托板 6過(guò)渡板 圖 28 縱向滾珠絲杠裝配圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 圖 29 縱向滾珠絲杠安裝實(shí)物圖 橫向 （ X 方向） 進(jìn)給系統(tǒng)的改造 橫向滾珠絲杠也采用一端固定，一端浮動(dòng)，三點(diǎn)支承的形式，也通過(guò)雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙，如圖 210 所示。左端則將原車(chē)床的懸空結(jié)構(gòu)改為支承結(jié)構(gòu)，用一個(gè)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(lái)，并通過(guò)一對(duì)圓螺母 5 實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)絲杠的預(yù)拉伸和鎖緊，以提高其軸向剛度。因此，必須消除齒側(cè)間隙。 雙片齒輪錯(cuò)齒消隙法 圖 211是雙片齒輪錯(cuò)齒式消除間隙結(jié)構(gòu)。齒輪 1的端面還有另外四 2— 薄齒輪 8— 凸耳 4— 彈簧 6— 螺母 7— 調(diào)節(jié)螺釘 圖 211 雙圓柱薄片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu) 個(gè)通孔，凸耳 8可以在其中穿過(guò)。 2）周向彈簧調(diào)整法 圖 211是周向彈簧消隙結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)適合齒輪直徑偏小，安裝空間較小的情況下。安裝時(shí)，拆除車(chē)床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉電機(jī)風(fēng)罩，逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，使刀架轉(zhuǎn)動(dòng)到 45。電動(dòng)刀架的安裝較為方便，安裝時(shí)須注意以下兩點(diǎn)： (l)電動(dòng)刀架的兩側(cè)面與原車(chē)床縱、橫向的進(jìn)給方向平行； (2)電動(dòng)刀架與系統(tǒng)的連線在安裝時(shí)應(yīng)合理，以免加工時(shí)切屑、冷卻液及其它雜物磕碰電動(dòng)刀架連線。 在利用填充聚四氟乙烯軟帶對(duì)原車(chē)床導(dǎo)軌貼塑的工作中，主要是對(duì)粘接工藝的控制。用重物加壓或扣壓于床身導(dǎo)軌上，加壓均勻，壓強(qiáng)通常為 — 。這種系統(tǒng)不需要將所測(cè)得的實(shí)際位置和速度反饋到輸入端，故稱(chēng)之為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度，齒輪絲杠等傳動(dòng)元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度相對(duì)較低。設(shè)計(jì)和調(diào)試都比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)難。元件的誤差。 選擇數(shù)控系統(tǒng)時(shí)主要是根據(jù)數(shù)控改造后機(jī)床要達(dá)到的各種精度、各種性能等選擇性?xún)r(jià)比合適的系統(tǒng)，避免系統(tǒng)功能過(guò)剩，同時(shí)考慮到原車(chē)床的精度和改造的成本、周期、難易程度等各方面因素，決定采用以步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件、開(kāi)環(huán)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù) 控系統(tǒng)。其機(jī)構(gòu)緊湊，具有高速集成于一體的數(shù)控單元、機(jī)床操作面板和輸入輸出單元 。從經(jīng)濟(jì)性考慮，主軸采用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，車(chē)床上原有的主軸電機(jī)可以保留。 為了恢復(fù)導(dǎo)軌的精度，提高機(jī)床的防爬行和吸振性能，對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌選用填充聚四氟乙烯軟帶來(lái)改造。堅(jiān)固而又節(jié)省空間的設(shè)計(jì)，使它可以安裝到最方便用戶(hù)的位置； 操作面板提供了所有的數(shù)控操作，編程和機(jī)床控制動(dòng)作的按鍵以及 8 英寸 LCD顯示器，同時(shí)還提供 12個(gè)帶有 LED 的用戶(hù)自定義鍵。提供脈沖及方向信號(hào)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)接口。采用電容防止掉電引起的數(shù)據(jù)丟失。 電柜設(shè)計(jì)及電源選用 在設(shè)計(jì)電柜時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)： (l)電柜應(yīng)有冷卻或通風(fēng)裝置，在使用風(fēng)扇時(shí)必須在進(jìn)氣窗口安裝防塵過(guò)濾網(wǎng)； (2)電柜中的所有部件必須安裝在無(wú)油漆的鍍鋅金屬板上； (3)電柜的防護(hù)等級(jí)為 IP54； (4)接地應(yīng)遵守國(guó)標(biāo) GB/ 一 20xx/IEC6OZO4 一 l： 20xx“ 機(jī)械安全機(jī)械 電氣設(shè)備第 1 部分：通用技術(shù)條件 ” ； (5)電柜中布線時(shí)，交流電源線 (如 85VAC， 220VAC， 380VAC 以及變頻器到主軸電機(jī)的電纜 )必須與 24VDC 電纜和信號(hào)線電纜分開(kāi)走線； (6)系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源 24VDC之前需接入隔離變壓器 (控制變壓器 380VAC →220VAC ，JBK3400VA)，如圖 31所示。 24VDC 電源選用 CNC 控制器采用 24V 直流供電，系統(tǒng)可在 24V15%到 +20%之間正常工作。 數(shù)字輸入 和輸出所需的 24VDC 用獨(dú)立的 24V 直流電源，而不能與 CNC 控制器共用同一個(gè) 24VDC 穩(wěn)壓電源。連接電纜必須使用屏蔽電纜。PTP”P(pán)LC 實(shí)例程序就可以了，所要做的工作只是設(shè)定一下 PLC 機(jī)床參數(shù)。 通訊接口 RS232 的連接 (X2) 在使用外部 PC/PG 與 GSK980TD 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊 (WinPCIN)或編寫(xiě) PLC 程序時(shí)，使用RS232 接口，各引腳如圖 35 所示。 步進(jìn)及主軸驅(qū)動(dòng)器與 CNC 控制器的連接 (X7) X7 用于將步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及主軸驅(qū)動(dòng)器同 CNC 控制器相連，電纜分配如表 35 所示。 表 36 高速輸入接口 X20 引腳 信號(hào) 說(shuō)明 引腳 信號(hào) 說(shuō)明 1 A1+ 手輪 1 A 相 + 6 GND 電源接地 2 A1 手輪 1 A 相 7 A2+ 手輪 2 A 相 + 3 B1+ 手輪 1 B 相 + 8 A2 手輪 2 A 相 4 B1 手輪 1 B 相 9 B2+ 手輪 2 B 相 + 5 P5V ＋ 5VDC 10 B2 手輪 2 B 相 高速 輸入接口（ X20） 通過(guò)接線端子 X20 可以連接 3 個(gè)接近開(kāi)關(guān)，其引腳說(shuō)明見(jiàn)表 37。 SBI 為 急停按鈕，當(dāng)被按下時(shí)，所有 PLC 輸出端口均無(wú)信號(hào)輸出。因?yàn)楫?dāng) P24 端子到 P LC 的輸入點(diǎn)之間的線路出現(xiàn)開(kāi)路或接觸不良時(shí)，該點(diǎn)被認(rèn)為有效，機(jī)床會(huì)立即報(bào)警，這樣就保證了機(jī)床只有在電路連接良好的情況下才能正常運(yùn)行，提高了機(jī)床的安全性。而 SINUMERIK 802S base line 系統(tǒng)的 PLC 輸入線是高電平輸入有效，由于系統(tǒng)內(nèi)有緩沖電路，可以定義為常開(kāi)連接 (輸入閉合有效 )或常閉連接 (輸入斷開(kāi)有效 )，故在每個(gè)刀位的霍爾元件輸出端接上一個(gè) “ 上拉電阻 ()” ，輸入定義為常閉連接 (輸入斷開(kāi)有效 )，這樣一來(lái)當(dāng)某一刀位處于工作位置時(shí)，該刀位輸出的是低電平，相當(dāng)于 PLC 輸入端沒(méi)有高電平輸入而處于斷開(kāi)狀態(tài)，由于刀架輸入定義為斷開(kāi)有效，所以該輸入點(diǎn)被激活有效；三個(gè)刀位由于不在工作位置其輸出電平處于懸空狀態(tài)，由于上拉電阻的接入，三個(gè)刀位的輸出信號(hào)至 PLC 的輸入端實(shí)際上接入了高電平，同樣由于輸入點(diǎn)定義為常閉連接，是斷開(kāi)時(shí)有效，所以另外三個(gè)刀位的 PLC 輸入點(diǎn)沒(méi)有被激活有效。對(duì)于使用步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給軸，盡管沒(méi)有測(cè)量系統(tǒng)，但也必須有回參考點(diǎn)過(guò)程。該方式可高速尋找減速開(kāi)關(guān)，然后低速尋找接近開(kāi)關(guān)。 圖 314 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)定方法 主控電路的設(shè)計(jì) 電氣控制線路主電路如圖 316 所示， QF1QF4 為空氣開(kāi)關(guān)， FU 為熔斷器，對(duì)電路實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。 R、 S、 T 為變頻器的電源輸入端， U、 V、 W 為輸出控制電機(jī)端， STF 和 STR 分別接主軸正反轉(zhuǎn)控制繼電器觸頭 KA1 和 KA2， 2 和 5 分別接主軸模擬量輸出信號(hào) (0~+10V)AO4 和 AGND4，以控制變頻器的輸出電壓頻率。 圖 316 交流控制電路圖 本章小結(jié) 本章首先論述了 SINUMERIK 802S base line 數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)，從安全性和可靠性出發(fā)，確立了電柜設(shè)計(jì)及電源選用原則，闡述了數(shù)控系統(tǒng)各部分的連接方法。最后設(shè)計(jì)了車(chē)床主控電路原理圖及交流控制電路圖。 計(jì)算切削力 縱車(chē)外圓 主切削力 zF （ N）按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 NDF Z 3 8 3 53 2 06 7 5..15..1m a x ???? 按切削力各分力比例： ::1:: ?Yxz FFF NFF zx ??? ??? zy FF N 橫切端面 主切削力 ?zF (N)可取縱切力的 1/2 NFF zz 1 9 1 821 ??? 此時(shí)走刀抗力為 : ?yF (N)，吃刀抗 力為 ?xF (N)，仍按上述比例粗略計(jì)算 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 ::1:: ???? yxz FFF NFF zy 4 8 ????? NFF zx 77 ????? 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 縱向進(jìn)給絲杠 mF （ N） 作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給分力主要包括切削時(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)軌上的摩檫力，因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)。 已知參數(shù)： 加工最大直徑：在床面上 ? 320mm ，在床鞍上 ? 175mm 加工最大長(zhǎng)度： 700mm 溜板及刀架重力： 橫向 500N 縱向 800N 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 刀架快速移動(dòng)速度： 橫向 最大進(jìn)給速度： 橫向 主電動(dòng)功率： 起動(dòng)加速時(shí)間： 25ms 機(jī)床定位精度： ? mm 控制坐標(biāo)數(shù)： 2 最小指令值： 刀具補(bǔ)償量： 自動(dòng)升降速性能： 有 機(jī)床的外形尺寸： （長(zhǎng) 寬 高） 2340? 900? 1190 主軸的轉(zhuǎn)速 ： 4 6 9 1 16 250、 3 500、 7 9 1350、 200（ r/min） 可完成的功能：直線與圓弧插補(bǔ)、刀具補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償與螺紋誤差補(bǔ)償、加工軌跡顯示、 RS232C 通訊接口、 〞液晶顯示 伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：選擇脈沖當(dāng)量，計(jì)算切削力，滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型，齒輪傳動(dòng)比的計(jì)算，步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型。PTP” 中的接口定義保持一致，其目的是為了利用廠家提供的 PLC 實(shí)例程序，這樣就無(wú)需自編 PLC 程序，所要做的工作只是設(shè)定一下 PLC 機(jī)床參數(shù)。 M3 為冷卻泵電機(jī)，其控制信號(hào)來(lái)自數(shù)控系統(tǒng) PLC 輸出口 。 FR1 為熱繼電器，對(duì)主軸電機(jī)實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)， RC1 為三相滅弧器，構(gòu)成三相負(fù)載的阻容吸收回路，能夠抑制接觸器吸合釋放時(shí)的干擾噪聲。在調(diào)試時(shí)需按照所使用電機(jī)的扭矩設(shè)定驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流。返回參考點(diǎn)的配置形式有兩種：別為雙開(kāi)關(guān)方式和單開(kāi)關(guān)方式。 圖 310 X200 接線圖 圖 311 X201 接線圖 步進(jìn)電機(jī)的連接 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)的連接如圖 312 所示。 SQ SQSQ3 和 SQ4 為四個(gè)霍爾式接近開(kāi)關(guān)，分別對(duì)應(yīng)于刀架的四個(gè)工位。若采用常開(kāi)邏輯，則當(dāng) P24 端子到 PLC 輸入點(diǎn)線路接觸不良或開(kāi)路時(shí)會(huì)造成 SQ5 無(wú)圖 37 X20 接線圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 效 (即便是 SQ5 閉合 )，從而會(huì)導(dǎo)致機(jī)床出現(xiàn)重大事故。如圖 37 示， SQ1 SQ12 分別為 X 軸、 Z 軸回參考點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)（霍爾式、 PNP 型常開(kāi)、有效電平為 DC24V），分別接入高速輸入接口 X20 的 3號(hào)管腳 HI_3 和 5 號(hào)管腳 HI_3。 表 34 插座 X6 的引腳分配 引腳 信號(hào) 信號(hào)含義 信號(hào)類(lèi)型說(shuō)明 引腳 信號(hào) 信號(hào)含義 信號(hào)類(lèi)型說(shuō)明 1 . 9 M 電源接地 電壓輸出 2 . 10 Z 零脈沖信 號(hào) 5V輸入信號(hào) 3 . 11 Z _N 零脈沖信號(hào) 5V輸入信號(hào) 4 P5 _MS 電源 + 電壓輸出 12 B_N B向信號(hào) 5V輸入信號(hào) 5 . 13 B B向信號(hào) 5V輸入信號(hào) 6 P5 _MS 電源 + 電壓輸 出 14 A_N A向信號(hào) 5V輸入信號(hào) 7 M 電源接地 電業(yè)輸出 15 A A向信號(hào) 5V輸入信號(hào) 8 . 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 圖 36 步進(jìn)及主軸驅(qū)動(dòng)器與 802S base line 的連接 表 35 電纜分配 CNC 側(cè) 電纜 驅(qū)動(dòng)側(cè) 引腳 中芯顏 色 驅(qū)動(dòng)軸 引腳 5 黑