【導讀】弱點設計、PLC輸入輸出及接口設計，繪制出整個機床的電氣系統(tǒng)原理圖等。紹了各個部分的功能及用途。分為380V強電回路，控制回路，PLC輸入輸出控。制，主軸驅動模塊和進給伺服驅動模塊，并介紹了相關的電氣知識。

　　

【正文】 ，其直接與伺服電機轉子后部相連接，與伺服電機構成一體。因為編碼器不能直接反映機床各個進給軸的實際位置，而是反映電機的旋轉速度和圈數(shù)。此種控制方式的機床其機械運動部分（如傳動絲 杠和工作臺）的機械誤差沒有因反饋而獲得改善。但是對于這些機械誤差，可以在 CNC 系統(tǒng)中通過反向間隙補償和螺距誤差補償來大大減小，所以使用這種控制方式的機床也可達到很高的精度。對于全閉環(huán)系統(tǒng)需要采用直線位置檢測裝置，現(xiàn)在生產中多用光柵尺或磁尺作為全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測裝置。 CK6140數(shù)控車床對伺服驅動進給系統(tǒng)的要求 1．調速范圍要寬 調速范圍 nr 是指進給電動機提供的最低轉速 minn 和最高轉速 maxn 之比，即min max/nr n n? 。 在各種數(shù)控機床應用中，由于加工用刀具、被加工材料、主軸轉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，要求進給驅動系統(tǒng)必須具有足夠寬的無級調速范圍（通常大于 1： 10000），尤其在低速（如轉速小于 ）時，要仍能平滑運動而無爬行現(xiàn)象， 2．定位精度高 南京工程學院康尼學院本科畢業(yè)設計（論文） 21 使數(shù)控機床加工零件主要是為了保證加工質量的穩(wěn)定性、一致性，減少廢品率；就決復雜曲面零件的加工問題；解決復雜零件的加工精度問 題，縮短制造周期等。因此，要求進給驅動系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)特性和較高的剛度，從而達到較高的定位精度，以保證機床具有較小的定位誤差與重復定位誤差（目前進給伺服系統(tǒng)的分辨率可達到 1μ m 或 m，甚至 m），同時進給驅動系統(tǒng)要有較好的動態(tài)性能，以保證機床具有較高的輪廓跟隨精度。 3．有足夠的傳動剛性和較高的速度穩(wěn)定性 4．快速響應，無超調 為了提高生產率和保證加工質量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快。因為數(shù)控系統(tǒng)在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大 ，以縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。 5．低速大扭矩，過載能力強 一般來說，伺服驅動器具有數(shù)分鐘甚至半小時內 倍以上的過載能力，在短時間內可以過載 46倍而不損壞。 6．可靠性高 要求數(shù)控機床的進給驅動系統(tǒng)可靠性高，工作穩(wěn)定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應能力和很強的抗干擾能力。 進給伺服系統(tǒng)的選型 與控制原理 進給伺服系統(tǒng)主要由各軸進給伺服驅動裝置及其伺服電動機組成。 伺服驅動裝置接受從主控制單元發(fā)出的進給速度和位移指令信號，作一定的轉換和放大后，驅動伺服電電動機，從而通 過機械傳動機構，驅動機床的執(zhí)行部件實現(xiàn)精確的工作進給和快速移動。 FANUC的α系列伺服驅動裝置主要分為 SVM、 SVM—HV兩種，其中 SVM型的一個驅動裝置最多可帶三個伺服軸，而 SVM—HV 型的一個單獨驅動裝置最多可帶兩個伺服軸。而且根據不同的 CNC 裝置使用不同的接口類型。 （ 1） FANUC 伺服驅動裝置的型號參數(shù) 伺服驅動裝置的型號參數(shù)如下所示。 SVM 口 口／口／口 口 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ①型號 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； 南京工程學院康尼學院本科畢業(yè)設計（論文） 22 ⑤第三軸最大電流； ⑥輸入電壓， “無 ”=200V， HV=400V。 (2)SVM120 伺服驅動裝置接口信號的定義 SVM120 伺服驅動裝置接口信號的定義如圖 4－ 1 所示。 圖 4－ 1 SVM120 伺服驅動裝置接口信號的定義 伺服電機的選型 FANUC 0i MATE系統(tǒng)是高性價比高可靠性的 CNC系統(tǒng)，它可以配置 FANUC 公司的 ? 、 ? C 和β系列的伺服電機、一般來說 FANUC 系統(tǒng)在選 擇伺服電機時要計算負載力矩、負載慣量、加速力矩和最大切削力矩等因素，在計算的過程中綜合考慮伺服電機的性能參數(shù)是否滿足各因素來確定電機型號。圖 42所示為機床水平進給軸示意圖，機床工作臺的機械規(guī)格如表 41所示。 圖 42 水平進給軸示意圖 南京工程學院康尼學院本科畢業(yè)設計（論文） 23 表 41 機床主要性能規(guī)格表 規(guī)格項目 符號 單位 X 軸 絲桿直徑 mm 40 絲桿長度 mm 1000 絲桿導程 P mm 8 減速比 1 機床加載的移動物質量 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表面上工作臺受到的力 kgf 30 驅動系統(tǒng)效率 η 滑動表面摩擦系數(shù) μ 加減速時間 ms 100 快速進給速度 V 4000 位置回路增益 30 負載力矩的計算 一般計算公式： 2mfFLTT????? 其中， mT加到電機軸上的負載力矩， N178。 m； F：沿坐標軸移動一個部件所需的力， kgf； L：電機轉一圈機床的移動距離（與絲桿螺距有 關）；fT ：滾珠絲桿螺母或軸承加到電機軸上的摩擦力矩。 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 南京工程學院康尼學院本科畢業(yè)設計（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? ? ? ? ? ??? 所選伺服電機其靜態(tài)力矩應大于 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。 表 42 a、 aC 和 β 系列部分電機性能參數(shù)表 負載慣量的計算 負載慣量的計算一般包括滾珠絲桿的轉動慣量和工作臺的移動慣量等。 轉動慣量計算公式： 43 2 9 8 0B b bJ D L?????，其中 ? 表示物體的比重，2/kgcm ； 對于本車床：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???? ? ? ? ? ?? 移動慣量的計算公式： 2()9 8 0 2W WLJ ???，其中， L表示電機一轉工作臺移動的距離 。 27 0 0 0 .8( ) 0 .0 1 1 59 8 0 2WJ ?? ? ? 2kgf cm s?? 負載慣量合計 L B WJ J J??=+ = 2kgf cm s?? 負載慣量對電機的控制特性和快速移動的加 /減速時間都有很大影響，負載慣量過大時，進給軸需要較長時間到達指令的速度，會造成較大的加工誤差 一般來說負載慣量應小于電機慣量或在在電機慣量的 倍以內 對于前文提到的幾南京工程學院康尼學院本科畢業(yè)設計（論文） 25 種伺服電機，通過負載慣量比判定如表 43所示 表 43 負載慣量比判定 加速力矩的計算 將加速度乘以總的轉動慣量（電機慣量加負載慣量），其結果就是加速力矩。然后計算加速力矩開始下降時的速度 r，參照電機的速度 轉矩特性圖來分析加速力矩是否在要求的工作區(qū)內 一般計算公式： 其中， aT ：加速力矩， mV ：電機快速移動速度， at ：加速時間， LJ ：負載慣量， mJ ：電機慣量， sk ：位置回路增益 當選擇 aC12/2021 電機時，電機慣量 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的速度 由圖 43 所示的 aC12/2021 電機速度轉矩特性圖可知，當加速力矩aT =? 、下降速度 rV =1366 r /min 時，處于斷續(xù)工作區(qū)（ intermittent operating）內，電機 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? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?南京工程學院康尼學院本科畢業(yè)設計（論文） 26 圖 43 aC12/2021電機速度轉矩特性圖 計算力矩的均方根值 圖 44所示為快速定位一個周期內速度 — 時間和轉矩 — 時間圖， 在普通切削時，快速定位的頻率不會有問題，但對于需要頻繁快速定位的機床來說，必須檢查加 /減速過程中電流的變化是否會引起電機過熱 此時可計算一個運行周期內加在電機上力矩的均方根值（ rmsT ，各動作扭矩乘方的平均值），確保要小于電機的額定力矩（考慮到發(fā)熱系數(shù)，核算時靜止力矩應為實際靜止額定力矩的 90% ） 。 圖 44 快速定位一個周期內速度 — 時間和轉矩 — 時間圖 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 表示加到電機軸上的負載力矩，這兩項分別在前面小節(jié)中求出。 oT 表示停止時的力矩，其值近似等于 mT ， 1t 表示加減速時間常數(shù)，由表 1 可知是 1t =， 2t = ， 3t = 南京工程學院康尼學院本科畢業(yè)設計（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 型號伺服電機的額定靜態(tài)力矩 sT 為 12N m，rmsT =12 179。 =? 因此 aC12/2021 型號伺服電機滿 足上述要求 。 根據 上述幾項因素的計算以及與電機參數(shù)的比較，綜合考慮各項因素的影響和電機的性價比， 最終可選擇 aC12/2021 型號伺服電機來配置 CK6140 數(shù)控車床 ， X 軸伺服電機與 Z軸伺服電機都選用 aC12/2021 型號伺服電機 。 南京工程學院康尼學院本科畢業(yè)設計（論文） 28 第五章 CK6140 數(shù)控車床 輔助系統(tǒng)設計 CK6140數(shù)控車床輔助系統(tǒng)概述 刀 架 傳動 系統(tǒng) 刀 架 運動是指實現(xiàn)刀架上刀 架 的轉動和刀 架 的開定位、定位與夾緊的運動，以實現(xiàn)刀具的自動轉換。刀 架 運動是由換刀交流電動機實現(xiàn)的。 冷卻系統(tǒng) 數(shù)控機床的冷卻系統(tǒng)主要包括用于在切削過程中的冷卻刀具和工件，同時也起沖屑作用，由冷卻泵實現(xiàn)。 液壓系統(tǒng) CK6140 數(shù)控車床 液壓系統(tǒng)主要進行 主軸變速換擋，中心跟刀架電機排屑器 刀架傳動系統(tǒng)設計 刀具自動交換裝置可分為兩種，即轉塔式和刀庫式。 轉塔式刀具交換裝置又分為回轉刀架和轉塔頭?；剞D刀架主要應用于數(shù)控車床和數(shù)控車削加工中心，轉塔頭主要應用于數(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械手配合刀具庫換刀。刀庫式刀具交換裝置廣泛應用于各類加工中心中，刀具與 主軸之間直接換刀與用機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。它們只是機械運動的方式不同。刀庫的選擇主要根據機床加工工藝范圍和機床的特點，確定刀庫容量和自動換刀裝置類型。 CK6140 數(shù)控車床，作為普通型數(shù)控車床根據其加工工藝選用 四工位 電動刀架 。刀架的轉位控制數(shù)控程序中的 T 指令來控制刀架的旋轉。 CK6140 數(shù)控車床電動刀架的選 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 架的結構和性能體現(xiàn)了車床的設計和制造技術水平，所以有如下要求： (1)轉位準確可靠，工作平穩(wěn)安全； 南京工程學院康尼學院本科畢業(yè)設計（論文） 29 (2)按最短線路就近選擇，轉位時間短； (3)重復定位精度高； (4)防水、防屑，密封性能優(yōu)良； (5)夾緊剛性高，適宜重負荷切削。 CK6140 數(shù)控車床電動刀 架 的選擇合理與否，直接關系到機床的加工效率與可靠性。因此在選型時應進行最優(yōu)化選擇。本機床選擇德