【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計 31 第 4 章 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計計算 將一臺 C6132 普通車床改造成微機(jī)數(shù)控機(jī)床，采用 SINUMERIK 802S base line 控制系統(tǒng)。 M2 是刀架電機(jī)， KM2吸合時，刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)， KM3 吸合時，刀架電 機(jī)反轉(zhuǎn)，刀架電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制信號來自數(shù)控系統(tǒng) PLC 輸出口 和 。 本科畢業(yè)設(shè)計 29 圖 313 雙開關(guān)方式接近開關(guān)的布置 動電流設(shè)定 所選用的 110BF003 型步進(jìn)電機(jī)。 圖 39 X102接線圖 數(shù)字輸出端的連接 (X200 和 201） X200 和 X201 的接線如圖 3 311所示， KA KA KA KA KA5 和 KA6分別為主軸正轉(zhuǎn)、主軸反轉(zhuǎn)、刀架正轉(zhuǎn)、刀架反轉(zhuǎn)、冷卻泵和主軸制動用中間繼電器， VD2VD7本科畢業(yè)設(shè)計 27 為繼電器線圈兩端浪涌電壓吸收二極管。 SQ SQ SQ SQ8 和 SB1 均采用常閉邏輯。連接示意圖如圖 36所示。本次改造的輸入輸出接口定義如表 32所示。所有輸入信號必須為電平信號，即 “0” 電平 [3V~5VDC]和 “l(fā)”電平 [11V~30VDC]。步進(jìn)驅(qū)動 85VAC 必須采用獨(dú)立的隔離變壓器 (驅(qū)動變壓器380VA→85VAC ， JBK3 系列 )，如圖 32 所示。除三個進(jìn)給軸外， SINUMERIK 802S base line 還提供一個 177。并詳細(xì)闡述了粘接工藝。機(jī)床調(diào)試配置數(shù)據(jù)少，系統(tǒng)與機(jī)床匹配更快速、更容易。因此，它的進(jìn)度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是他的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。具體工藝為：首 先對原導(dǎo)軌進(jìn)行刮研，保證粘貼前導(dǎo)軌的表面粗糙度 — ，平面度達(dá)到 0． 01／ 1000精度；選用厚度為 ，用鈉基溶液處理聚四氟乙烯軟帶表面；粘接前需對金屬導(dǎo)軌粘接面除銹去油，可先用砂布、砂紙或鋼絲刷清除銹斑雜質(zhì)，然后再用丙酮擦洗干凈、晾干；專用膠須隨配隨用，按 A組份／ B組份 =1／ l的重量比混合，攪拌均勻后即可涂膠。左右時，裝上螺釘，然后固定刀架即可。同樣是兩個齒數(shù)、模數(shù)相同的兩片薄齒輪 2和 3。兩個相同齒數(shù)的薄齒輪1和 2與另一個厚齒輪 (圖中未畫出 )嚙合。螺母通過螺母座 9直接固定在中拖板 8上。步進(jìn)電機(jī) 1通過消隙齒輪 8 減速，減速器輸出軸用套筒聯(lián)軸器 12與絲杠 3連接，固定銷 9 防止減速器轉(zhuǎn)動。 710? 2 177。夾鉗型是利用螺絲的鎖緊力，收縮孔徑，鎖緊軸部。該編碼器結(jié)構(gòu)堅固，可靠性高，壽命長，耐環(huán)境性強(qiáng)。綜合以上分析計算，確定選用三菱FRA540系列變頻器，具體型號為 FRA5407． 5KCH。因此，從節(jié)能的角度看，并不理想。因此，改變電源頻率 f 即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n?？紤]到數(shù)控車床在自動加工的過程中負(fù)載切削力隨 時會發(fā)生變化，為了保證工件表面加工質(zhì)量的一致性、提高工件加工質(zhì)量，主軸要能實(shí)現(xiàn)恒切削速度切削。尤其是對車床上較大的部件 。 利用現(xiàn)有閑置的舊機(jī)床，通過數(shù)控化改造，使其成為一臺新高效、多功能的數(shù)控機(jī)床，其投資少，見效快，是一種盤活存量資產(chǎn)的有效方法，也是低成本實(shí)現(xiàn) 自動化的有效方法，也是在短期內(nèi)提高我國機(jī)床的數(shù)控化率的一條有效途徑 2020 年我國機(jī)床總產(chǎn)量約 萬臺，其中數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量是 14053 臺，產(chǎn)量數(shù)控化率為 8%。數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過多年的市場激烈競爭，已經(jīng)形成由日本的發(fā)那科公司 占市場 50%、德國西門子公司占市場 25%的壟斷局面。但由于電子元器件的質(zhì)量和制造工藝水平差，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性未得到解決，因此未能廣泛推廣。典型產(chǎn)品有 FANUC150/160/180/2 A2100、 OA500、 Advantage CNC System、華中 I型等。 模塊化、智能化、柔性化和集成化 (1)模塊化、專門化與個性化 為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床多品種、小批量的特點(diǎn)，機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化，數(shù)控功能專門化，機(jī)床性能價格比顯著提高并加快優(yōu)化。為了滿足用戶的需要，近 10 多年來，普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度己由士 10? m提高到 177。同時，為了滿 足市場和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，為了達(dá)到現(xiàn)代制造技術(shù)對數(shù)控技術(shù)提出的更高要求，當(dāng)前，世界數(shù)控技術(shù)及其裝備正朝著下述幾個方向發(fā)展。本科畢業(yè)設(shè)計 1 目錄 第 1 章 緒論 ......................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 高速、高效、高精度、高可靠性 要提高加工效率，首先必須提高切削和進(jìn)給速度，同時，還要縮短加工時間；要確保加工質(zhì)量，必須提高機(jī)床部件運(yùn)動軌跡的精度，而可靠性則是上述目標(biāo)的基本保證。5 ? m，精密級加工中 心的加工精度則從 177。個性化是近幾年來數(shù)控機(jī)床特別明顯的發(fā)展趨勢。 出現(xiàn)新一代數(shù)控加工工藝與裝備 (1)為適應(yīng)制造自動化的發(fā)展，向 FMC、 FMS 和 CIMS 提供基礎(chǔ)設(shè)備，要求數(shù)字控制 制造系統(tǒng)不僅能完成通常的加工功能，而且還要具備自動測量、自動上下料、自動換刀、自動更換主軸頭 (有時帶坐標(biāo)變換 )、自動誤差補(bǔ)償、自動診斷、進(jìn)線和聯(lián)網(wǎng)等功能，廣泛地應(yīng)用機(jī)器人和物流系統(tǒng)； (2)圍繞數(shù)控技術(shù)、制造過程技術(shù)在快速成型、并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床、機(jī)器人化機(jī)床、多功能機(jī)床等整機(jī)方面和高速電主軸、直線電機(jī)、軟件補(bǔ)償精度等單元技術(shù)方面先后有所突破。 80 年代，我國從日本 FANUC 公司引進(jìn)了 3 等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電機(jī)，直流主軸電機(jī)技術(shù)，以及從美國、德國等國引進(jìn)了一些新技術(shù)。我國從 20 世紀(jì) 90 年代末開始掌握基于通用32 位工業(yè)控制機(jī)開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，特別是能夠控制五軸聯(lián)動并具備網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)測、診斷、操作功能的數(shù)控系統(tǒng)。而像美國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)的國家機(jī)床產(chǎn)量數(shù)控化率已超過了 50%。 例如床身、床鞍、工作臺等，盡量利用原來的部件， 或 只做少量的加工改造，這樣可以大大的降低成本，縮短制造周期。這就要求主軸能實(shí)現(xiàn)無級變速。變頻器能方便地與數(shù)控系統(tǒng)連接，控制電動機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止和變速。數(shù)控車床屬于高精度、 快響應(yīng)的恒功率負(fù)載加工設(shè)備，應(yīng)盡可能選用矢量控制高性能型通用變頻器，而且中、小容量變頻器以電壓型變頻器為主。 其最大輸出功率為 ，額定容量為 13kVA，額定電流為 17A，過載能力為 150%60秒， 200%，額定輸出電壓為 3相380V/50Hz，電源電壓允許波動范圍為 323V至 528V。 主軸編碼器與軸的連接可采用剛性連接和柔性連接。因此能在不損傷軸的情況下，進(jìn)行輕松的安裝與拆卸工作。 縱橫向進(jìn)給 傳動系統(tǒng)的改造 縱向 （ Z 方向） 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的改造 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。 1縱向步進(jìn)電動機(jī) 2減速齒輪 3縱向滾珠 絲杠 4工作臺 5套筒聯(lián)軸器 6支承軸 圖 26 縱向進(jìn)給系統(tǒng)圖 7深溝球軸承 8消隙齒輪 9固定銷 10滑動軸承支承座 11圓螺母 12套筒聯(lián)軸器 圖 27 縱向步進(jìn)電機(jī)裝配圖 滾珠絲杠 3 仍安裝在原滑動絲杠的空間位置，其螺母副通過支架 l安裝在床鞍的底部，如圖 2 29 所示。 1橫向步進(jìn)電機(jī) 2減速器 3減速器輸出軸 4聯(lián)軸套 5圓螺母 6連接短軸 7橫向滾珠絲杠 8中拖板 9螺母座 10套筒聯(lián)軸器 11支撐短軸 12推力球軸 圖 210 橫向進(jìn)給系統(tǒng)圖 齒輪傳動間隙的消除 數(shù)控車床在加工過程中，會經(jīng)常變換移動方向。齒輪 l空套在齒輪 2上并可作相對回轉(zhuǎn)。齒輪 2空套在齒 輪 3上可以做相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動。電機(jī)安裝好如圖 213 所示。可用“帶齒刮板”或 lmm厚的膠木片進(jìn)行涂膠。 (2)交 /直流伺服電機(jī)驅(qū)動，光柵 測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。在講角位移檢測原價與速度檢測元件和伺服電機(jī)做成一個整體時則無需考慮位置檢測的安裝。并具有簡單而友好的編程界面，保證了生產(chǎn)的快速進(jìn)行，優(yōu)化了機(jī)床的使用。 最后從性價比和實(shí)用性考慮，對數(shù)控系統(tǒng)作了選擇。10v 的接口用于連接主軸驅(qū)動； 本科畢業(yè)設(shè)計 19 SINUMERIK 802S base line 的控制軟件已經(jīng)存儲在數(shù)控部分的 FlashPROM(閃存 )上， Toolbox 軟件工具 (調(diào)整所用的軟件工具 )包含在標(biāo)準(zhǔn)的供貨范圍內(nèi)。兩個變壓器的初級不可以接入到 380VAC的同一相。懸空和高阻信號均為 “0” 電平。 表 32 輸入輸出接口 類別 接口名稱 說明 類別 接口名稱 說明 輸 入 信 X100 硬限位 X+ 輸 出 信 X200 主軸正傳 CW 硬限位 Z+ 主軸反轉(zhuǎn) CCW X 向參考點(diǎn)開關(guān) 冷卻控制輸出 本科畢業(yè)設(shè)計 22 號 Z 向參考點(diǎn)開關(guān) 號 未定義 硬限位 X 刀架正傳 CW 硬限位 Z 刀架反轉(zhuǎn) CCW 過載 未定義 急停按鈕 未定義 X101 硬限位 Z X201 未定義 過載 未定義 急停按鈕 未定義 刀架信號 T1 未定義 刀架信號 T2 主軸制動 刀架信號 T3 未定義 刀架信號 T4 未定義 未定義 未定義 X102~X105 未定義 接口連接 電源端子的連接 (Xl) 系統(tǒng)工作電源為直流 24V 電源，接到接線端子 Xl上。 表 34 插座 X6 的引腳分配 引腳 信號 信號含義 信號類型說明 引腳 信號 信號含義 信號類型說明 1 . 9 M 電源接地 電壓輸出 2 . 10 Z 零脈沖信 號 5V 輸入信號 3 . 11 Z _N 零脈沖信號 5V 輸入信號 4 P5 _MS 電源 + 電壓輸出 12 B_N B向信號 5V 輸入信號 5 . 13 B B向信號 5V 輸入信號 6 P5 _MS 電源 + 電壓輸 出 14 A_N A向信號 5V 輸入信號 7 M 電源接地 電業(yè)輸出 15 A A向信號 5V 輸入信號 8 . 本科畢業(yè)設(shè)計 24 圖 36 步進(jìn)及主軸驅(qū)動器與 802S base line 的連接 表 35 電纜分配 CNC側(cè) 電纜 驅(qū)動側(cè) 引腳 中芯顏 色 驅(qū)動軸 引腳 5 黑 X軸 P1 38 棕 P1N 6 紅 D1 39 橙 D1N 18 黃 E1 19 綠 E1N 40 白 /灰 Y軸 P2 7 棕 /黑 P2N 41 藍(lán) D2 8 紫 D2N 20 灰 E2 21 白 E2N 9 白 /黑 Z軸 P3 42 白 /棕 P3N 10 棕 /紅 D3 43 棕 /橙 D3N 26 白 /紅 E3 27 白 /橙 E3N 17 白 /黃 主軸 9 50 白 /綠 65 4 白 /藍(lán) 14 37 白 /紫 36 本科畢業(yè)設(shè)計 25 手輪接口（ X10） 通過手輪接口 X10 可以在外部連接兩個電子手輪。若采用常開邏輯，則當(dāng) P24 端子到 PLC輸入點(diǎn)線路接觸不良或開路時會造成 SQ5 無圖 37 X20 接線圖 本科畢業(yè)設(shè)計 26 效 (即便是 SQ5閉合 )，從而會導(dǎo)致機(jī)床出現(xiàn)重大事故。 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)動器與步進(jìn)電機(jī)的連接如圖 312 所示。在調(diào)試時需按照所使用電機(jī)的扭矩設(shè)定驅(qū)動器的驅(qū)動電流。 M3為冷卻泵電機(jī)，其控制信號來自數(shù)控系統(tǒng) PLC 輸出口 。 已知參數(shù)： 加工最大直徑：在床面上 ? 320mm ，在床鞍上 ? 175mm 加工最大長度： 700mm 溜板及刀架重力： 橫向 500N 縱向 800N 本科畢業(yè)設(shè)計 32 刀架快速移動速度： 橫向 最大進(jìn)給速度： 橫向 主電動功率： 起動加速時間： 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： 自動升降速性能： 有 機(jī)床的外形尺寸： （長 寬 高）