【導(dǎo)讀】弱點(diǎn)設(shè)計(jì)、PLC輸入輸出及接口設(shè)計(jì)，繪制出整個(gè)機(jī)床的電氣系統(tǒng)原理圖等。紹了各個(gè)部分的功能及用途。分為380V強(qiáng)電回路，控制回路，PLC輸入輸出控。制，主軸驅(qū)動(dòng)模塊和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)模塊，并介紹了相關(guān)的電氣知識(shí)。

　　

【正文】 ，其直接與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子后部相連接，與伺服電機(jī)構(gòu)成一體。因?yàn)榫幋a器不能直接反映機(jī)床各個(gè)進(jìn)給軸的實(shí)際位置，而是反映電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和圈數(shù)。此種控制方式的機(jī)床其機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分（如傳動(dòng)絲 杠和工作臺(tái)）的機(jī)械誤差沒有因反饋而獲得改善。但是對(duì)于這些機(jī)械誤差，可以在 CNC 系統(tǒng)中通過反向間隙補(bǔ)償和螺距誤差補(bǔ)償來大大減小，所以使用這種控制方式的機(jī)床也可達(dá)到很高的精度。對(duì)于全閉環(huán)系統(tǒng)需要采用直線位置檢測(cè)裝置，現(xiàn)在生產(chǎn)中多用光柵尺或磁尺作為全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置。 CK6140數(shù)控車床對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的要求 1．調(diào)速范圍要寬 調(diào)速范圍 nr 是指進(jìn)給電動(dòng)機(jī)提供的最低轉(zhuǎn)速 minn 和最高轉(zhuǎn)速 maxn 之比，即min max/nr n n? 。 在各種數(shù)控機(jī)床應(yīng)用中，由于加工用刀具、被加工材料、主軸轉(zhuǎn)速以及零件加工工藝要求不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼臒o級(jí)調(diào)速范圍（通常大于 1： 10000），尤其在低速（如轉(zhuǎn)速小于 ）時(shí)，要仍能平滑運(yùn)動(dòng)而無爬行現(xiàn)象， 2．定位精度高 南京工程學(xué)院康尼學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 使數(shù)控機(jī)床加工零件主要是為了保證加工質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性，減少廢品率；就決復(fù)雜曲面零件的加工問題；解決復(fù)雜零件的加工精度問 題，縮短制造周期等。因此，要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)特性和較高的剛度，從而達(dá)到較高的定位精度，以保證機(jī)床具有較小的定位誤差與重復(fù)定位誤差（目前進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分辨率可達(dá)到 1μ m 或 m，甚至 m），同時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要有較好的動(dòng)態(tài)性能，以保證機(jī)床具有較高的輪廓跟隨精度。 3．有足夠的傳動(dòng)剛性和較高的速度穩(wěn)定性 4．快速響應(yīng)，無超調(diào) 為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快。因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大 ，以縮短進(jìn)給系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間，減小輪廓過渡誤差。 5．低速大扭矩，過載能力強(qiáng) 一般來說，伺服驅(qū)動(dòng)器具有數(shù)分鐘甚至半小時(shí)內(nèi) 倍以上的過載能力，在短時(shí)間內(nèi)可以過載 46倍而不損壞。 6．可靠性高 要求數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性高，工作穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)能力和很強(qiáng)的抗干擾能力。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的選型 與控制原理 進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由各軸進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置及其伺服電動(dòng)機(jī)組成。 伺服驅(qū)動(dòng)裝置接受從主控制單元發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，驅(qū)動(dòng)伺服電電動(dòng)機(jī)，從而通 過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)精確的工作進(jìn)給和快速移動(dòng)。 FANUC的α系列伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要分為 SVM、 SVM—HV兩種，其中 SVM型的一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置最多可帶三個(gè)伺服軸，而 SVM—HV 型的一個(gè)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)裝置最多可帶兩個(gè)伺服軸。而且根據(jù)不同的 CNC 裝置使用不同的接口類型。 （ 1） FANUC 伺服驅(qū)動(dòng)裝置的型號(hào)參數(shù) 伺服驅(qū)動(dòng)裝置的型號(hào)參數(shù)如下所示。 SVM 口 口／口／口 口 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ①型號(hào) ②軸數(shù)， 1： 1 軸伺服； 2： 2 軸伺服； 3： 3 軸伺服 ③第一軸最大電流； ④第二軸最大電 流； 南京工程學(xué)院康尼學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 ⑤第三軸最大電流； ⑥輸入電壓， “無 ”=200V， HV=400V。 (2)SVM120 伺服驅(qū)動(dòng)裝置接口信號(hào)的定義 SVM120 伺服驅(qū)動(dòng)裝置接口信號(hào)的定義如圖 4－ 1 所示。 圖 4－ 1 SVM120 伺服驅(qū)動(dòng)裝置接口信號(hào)的定義 伺服電機(jī)的選型 FANUC 0i MATE系統(tǒng)是高性價(jià)比高可靠性的 CNC系統(tǒng)，它可以配置 FANUC 公司的 ? 、 ? C 和β系列的伺服電機(jī)、一般來說 FANUC 系統(tǒng)在選 擇伺服電機(jī)時(shí)要計(jì)算負(fù)載力矩、負(fù)載慣量、加速力矩和最大切削力矩等因素，在計(jì)算的過程中綜合考慮伺服電機(jī)的性能參數(shù)是否滿足各因素來確定電機(jī)型號(hào)。圖 42所示為機(jī)床水平進(jìn)給軸示意圖，機(jī)床工作臺(tái)的機(jī)械規(guī)格如表 41所示。 圖 42 水平進(jìn)給軸示意圖 南京工程學(xué)院康尼學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 表 41 機(jī)床主要性能規(guī)格表 規(guī)格項(xiàng)目 符號(hào) 單位 X 軸 絲桿直徑 mm 40 絲桿長度 mm 1000 絲桿導(dǎo)程 P mm 8 減速比 1 機(jī)床加載的移動(dòng)物質(zhì)量 W kgf 7000 由切削力引起的反推力 kgf 100 鑲條鎖緊力 kgf 50 由切削力矩引起的滑動(dòng)表面上工作臺(tái)受到的力 kgf 30 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率 η 滑動(dòng)表面摩擦系數(shù) μ 加減速時(shí)間 ms 100 快速進(jìn)給速度 V 4000 位置回路增益 30 負(fù)載力矩的計(jì)算 一般計(jì)算公式： 2mfFLTT????? 其中， mT加到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩， N178。 m； F：沿坐標(biāo)軸移動(dòng)一個(gè)部件所需的力， kgf； L：電機(jī)轉(zhuǎn)一圈機(jī)床的移動(dòng)距離（與絲桿螺距有 關(guān)）；fT ：滾珠絲桿螺母或軸承加到電機(jī)軸上的摩擦力矩。 無論是否在切削，水平軸或垂直軸， F 值取決于工作臺(tái)的重量和摩擦系數(shù)。 ()c g c fF F W f F?? ? ? ?=100 +(7000 +50+ 30)= 454 kgf 南京工程學(xué)院康尼學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 2mfFLTT?????= 4 5 4 0 . 8 2 6 6 . 2 6 . 62 3 . 1 4 0 . 9 k g f c m N m? ? ? ? ? ??? 所選伺服電機(jī)其靜態(tài)力矩應(yīng)大于 m，參照表 42，可以選擇? 12/202 ? 22/2021 、 ? C12/2021 等靜態(tài)力矩為 12 N178。 m 或以上的伺服電機(jī)。 表 42 a、 aC 和 β 系列部分電機(jī)性能參數(shù)表 負(fù)載慣量的計(jì)算 負(fù)載慣量的計(jì)算一般包括滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和工作臺(tái)的移動(dòng)慣量等。 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式： 43 2 9 8 0B b bJ D L?????，其中 ? 表示物體的比重，2/kgcm ； 對(duì)于本車床：1{1 (1 ) }saktrmsaV V ekt??? ? ? ?? 3 423 . 1 4 7 . 8 1 0 4 1 0 0 0 . 0 1 9 93 2 9 8 0 k g c m s???? ? ? ? ? ?? 移動(dòng)慣量的計(jì)算公式： 2()9 8 0 2W WLJ ???，其中， L表示電機(jī)一轉(zhuǎn)工作臺(tái)移動(dòng)的距離 。 27 0 0 0 .8( ) 0 .0 1 1 59 8 0 2WJ ?? ? ? 2kgf cm s?? 負(fù)載慣量合計(jì) L B WJ J J??=+ = 2kgf cm s?? 負(fù)載慣量對(duì)電機(jī)的控制特性和快速移動(dòng)的加 /減速時(shí)間都有很大影響，負(fù)載慣量過大時(shí)，進(jìn)給軸需要較長時(shí)間到達(dá)指令的速度，會(huì)造成較大的加工誤差 一般來說負(fù)載慣量應(yīng)小于電機(jī)慣量或在在電機(jī)慣量的 倍以內(nèi) 對(duì)于前文提到的幾南京工程學(xué)院康尼學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 種伺服電機(jī)，通過負(fù)載慣量比判定如表 43所示 表 43 負(fù)載慣量比判定 加速力矩的計(jì)算 將加速度乘以總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（電機(jī)慣量加負(fù)載慣量），其結(jié)果就是加速力矩。然后計(jì)算加速力矩開始下降時(shí)的速度 r，參照電機(jī)的速度 轉(zhuǎn)矩特性圖來分析加速力矩是否在要求的工作區(qū)內(nèi) 一般計(jì)算公式： 其中， aT ：加速力矩， mV ：電機(jī)快速移動(dòng)速度， at ：加速時(shí)間， LJ ：負(fù)載慣量， mJ ：電機(jī)慣量， sk ：位置回路增益 當(dāng)選擇 aC12/2021 電機(jī)時(shí)，電機(jī)慣量 mJ = 2kgf cm s??， mV =2021 r/min 3 0 0 . 1 3 0 0 . 12 0 0 0 1 2 0 0 0 12 0 . 0 6 4 ( 1 ) 2 0 . 0 2 1 ( 1 ) 0 . 96 0 0 . 1 6 0 0 . 1aT e e?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = ? 1{1 (1 ) }saktrmsaV V ekt?? ? ? ??= 3 0 0 . 112 0 0 0 {1 (1 ) }3 0 0 . 1 e ?? ? ? ??=1366r/min 其中， rV ：加速力矩開始下降時(shí)的速度 由圖 43 所示的 aC12/2021 電機(jī)速度轉(zhuǎn)矩特性圖可知，當(dāng)加速力矩aT =? 、下降速度 rV =1366 r /min 時(shí)，處于斷續(xù)工作區(qū)（ intermittent operating）內(nèi)，電機(jī) aC12/2021 可滿足加速要求 112 ( 1 ) 2 ( 1 )6 0 6 0s a s ak t k tmma m LaaVVT J e J ett? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?南京工程學(xué)院康尼學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 圖 43 aC12/2021電機(jī)速度轉(zhuǎn)矩特性圖 計(jì)算力矩的均方根值 圖 44所示為快速定位一個(gè)周期內(nèi)速度 — 時(shí)間和轉(zhuǎn)矩 — 時(shí)間圖， 在普通切削時(shí)，快速定位的頻率不會(huì)有問題，但對(duì)于需要頻繁快速定位的機(jī)床來說，必須檢查加 /減速過程中電流的變化是否會(huì)引起電機(jī)過熱 此時(shí)可計(jì)算一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)加在電機(jī)上力矩的均方根值（ rmsT ，各動(dòng)作扭矩乘方的平均值），確保要小于電機(jī)的額定力矩（考慮到發(fā)熱系數(shù)，核算時(shí)靜止力矩應(yīng)為實(shí)際靜止額定力矩的 90% ） 。 圖 44 快速定位一個(gè)周期內(nèi)速度 — 時(shí)間和轉(zhuǎn)矩 — 時(shí)間圖 2 2 2 21 2 1 3( ) ( )a m m a m or m sOT T t T t T T t T tTt? ? ? ? ?? 其中 aT 表示加速力矩， mT 表示加到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩，這兩項(xiàng)分別在前面小節(jié)中求出。 oT 表示停止時(shí)的力矩，其值近似等于 mT ， 1t 表示加減速時(shí)間常數(shù)，由表 1 可知是 1t =， 2t = ， 3t = 南京工程學(xué)院康尼學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 2 2 2 2( 1 7 . 7 2 6 . 6 ) 0 . 1 6 . 6 1 . 8 ( 1 7 . 7 2 6 . 6 ) 0 . 1 6 . 6 79r m sT ? ? ? ? ? ? ? ?? ? Nm? 由表 42 可知， aC12/2021 型號(hào)伺服電機(jī)的額定靜態(tài)力矩 sT 為 12N m，rmsT =12 179。 =? 因此 aC12/2021 型號(hào)伺服電機(jī)滿 足上述要求 。 根據(jù) 上述幾項(xiàng)因素的計(jì)算以及與電機(jī)參數(shù)的比較，綜合考慮各項(xiàng)因素的影響和電機(jī)的性價(jià)比， 最終可選擇 aC12/2021 型號(hào)伺服電機(jī)來配置 CK6140 數(shù)控車床 ， X 軸伺服電機(jī)與 Z軸伺服電機(jī)都選用 aC12/2021 型號(hào)伺服電機(jī) 。 南京工程學(xué)院康尼學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 第五章 CK6140 數(shù)控車床 輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì) CK6140數(shù)控車床輔助系統(tǒng)概述 刀 架 傳動(dòng) 系統(tǒng) 刀 架 運(yùn)動(dòng)是指實(shí)現(xiàn)刀架上刀 架 的轉(zhuǎn)動(dòng)和刀 架 的開定位、定位與夾緊的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。刀 架 運(yùn)動(dòng)是由換刀交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的。 冷卻系統(tǒng) 數(shù)控機(jī)床的冷卻系統(tǒng)主要包括用于在切削過程中的冷卻刀具和工件，同時(shí)也起沖屑作用，由冷卻泵實(shí)現(xiàn)。 液壓系統(tǒng) CK6140 數(shù)控車床 液壓系統(tǒng)主要進(jìn)行 主軸變速換擋，中心跟刀架電機(jī)排屑器 刀架傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 刀具自動(dòng)交換裝置可分為兩種，即轉(zhuǎn)塔式和刀庫式。 轉(zhuǎn)塔式刀具交換裝置又分為回轉(zhuǎn)刀架和轉(zhuǎn)塔頭?；剞D(zhuǎn)刀架主要應(yīng)用于數(shù)控車床和數(shù)控車削加工中心，轉(zhuǎn)塔頭主要應(yīng)用于數(shù)控鉆、鏜、銑床中。 刀庫式刀具交換裝置又分為刀具與主軸之間直接換刀和用機(jī)械手配合刀具庫換刀。刀庫式刀具交換裝置廣泛應(yīng)用于各類加工中心中，刀具與 主軸之間直接換刀與用機(jī)械手配合刀具庫換刀其主要區(qū)分在于刀庫的容量不同，用機(jī)械手配合刀具庫換刀裝置的容量較大，而刀具與主軸之間直接換刀的刀庫容量受限。它們只是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方式不同。刀庫的選擇主要根據(jù)機(jī)床加工工藝范圍和機(jī)床的特點(diǎn)，確定刀庫容量和自動(dòng)換刀裝置類型。 CK6140 數(shù)控車床，作為普通型數(shù)控車床根據(jù)其加工工藝選用 四工位 電動(dòng)刀架 。刀架的轉(zhuǎn)位控制數(shù)控程序中的 T 指令來控制刀架的旋轉(zhuǎn)。 CK6140 數(shù)控車床電動(dòng)刀架的選 型 數(shù)控車床的刀架是車床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，在一 定程度上，刀 架的結(jié)構(gòu)和性能體現(xiàn)了車床的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)水平，所以有如下要求： (1)轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確可靠，工作平穩(wěn)安全； 南京工程學(xué)院康尼學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 (2)按最短線路就近選擇，轉(zhuǎn)位時(shí)間短； (3)重復(fù)定位精度高； (4)防水、防屑，密封性能優(yōu)良； (5)夾緊剛性高，適宜重負(fù)荷切削。 CK6140 數(shù)控車床電動(dòng)刀 架 的選擇合理與否，直接關(guān)系到機(jī)床的加工效率與可靠性。因此在選型時(shí)應(yīng)進(jìn)行最優(yōu)化選擇。本機(jī)床選擇德