【正文】 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)其控制邏輯由邏輯電子線路實(shí)現(xiàn)，不會(huì)出現(xiàn)以上問題，本次數(shù)控改造使用的數(shù)控西門子 802D 數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)負(fù)邏輯輸入要軟件，硬件兩。如果機(jī)床的電路采用傳統(tǒng)的繼點(diǎn)器，接觸器等元件實(shí)現(xiàn) 邏輯功能則不宜采用負(fù)邏輯，因?yàn)樗麜?huì)導(dǎo)致部分繼電器，接觸器處于始終接觸狀態(tài)。限位輸入端采用負(fù)邏輯需對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改。其基本思路是：使用限位行程開關(guān)的常閉觸點(diǎn)，當(dāng)限位開關(guān)沒有壓下 I/O點(diǎn)與 24V 斷開，機(jī)床限位。 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系 畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì) 30 第五節(jié) 坐標(biāo)系的建立 Y、 X、 Z軸的限位和參考返回電路 一、機(jī)床坐標(biāo)系是機(jī)床固有的坐標(biāo)系 ： 它是其它坐標(biāo)系（如工件坐標(biāo)系、編程坐標(biāo)系）的基準(zhǔn) CA6140 車床的坐標(biāo)原點(diǎn)，M定在卡盤基座與主軸中心的交點(diǎn)上，如圖 23 所示，數(shù)控系統(tǒng)是通過檢測(cè)參考點(diǎn)的具體位置來確定機(jī)床坐標(biāo)系的，我們選用兩個(gè)接進(jìn)開關(guān)， X軸方向與 Z軸方向各安裝一個(gè)在床身上，用于建立參考點(diǎn)，當(dāng)移動(dòng)刀架，兩個(gè)接近開關(guān)都有信號(hào)輸出時(shí)，刀架的當(dāng)前位置即為參考點(diǎn) R，測(cè)量 XR 及 ZR，并將它們寫入機(jī) 床數(shù)據(jù) 314000（參考點(diǎn)位置值），即可在數(shù)控系統(tǒng)中建立機(jī)床坐標(biāo)系 。數(shù)控機(jī)床使用的導(dǎo)軌，從類型上仍是滑動(dòng)導(dǎo)軌 、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。 （ 6）、而對(duì)于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌則應(yīng)有更高要求。 （ 4）、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 應(yīng)使導(dǎo)軌的摩擦阻力小，運(yùn)動(dòng)輕便，低速運(yùn)動(dòng)時(shí)無爬行現(xiàn)象。 （ 3）、足夠 的剛度 導(dǎo)軌受力變形會(huì)影響部件之間的導(dǎo)向精度和相對(duì)位置，故要求導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的剛度。 （ 2）、耐磨性好 導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌在長(zhǎng)期使用過程中能否保持一定的導(dǎo)向精度。無論在空載或切削狀態(tài)下都應(yīng)有足夠的導(dǎo)向精度。為提高機(jī)床的伺服進(jìn)給的精度和定位精度，數(shù)控機(jī)床使用導(dǎo)軌都具有較低的摩擦系數(shù)和有利于 消除低速爬行的摩擦特性。機(jī)床的加工精度和使用壽命很大程度上取決于機(jī)床導(dǎo)軌的質(zhì)量。其原理如圖 9 所示 圖中 4四根線分別接電動(dòng)機(jī)的四個(gè)刀位信號(hào)（低電平有效）而 802D 的PLC 輸入是高電平有效，因此使用 KA KA KA KA4 四個(gè) T24V 直流繼電器來完成高低電平的轉(zhuǎn)換。 三、刀架的工作原理 在加工過程中，選刀時(shí)在程序中輸入被選刀具的的 TXX（刀具號(hào)）和 DXX（刀沿號(hào)）?？梢酝?成粗精車，車螺紋和切槽（斷）等加工的換刀工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且實(shí)用、如圖所示。 二、刀架的選擇 經(jīng)過比較，選用常州宏達(dá)機(jī)床設(shè)備廠生產(chǎn)的 LD4— C0625 型四工位電動(dòng)刀架。 圖 8 脈沖編碼器的安裝圖 1脈沖編碼器 2同步帶輪 3同步帶 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系 畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì) 28 第三節(jié) 刀架的設(shè)計(jì) 一、改造刀架的目的 CA6140 普通車床的上帶有手動(dòng)刀架。 三、編碼器的選擇 根據(jù)加工精度的要求，選擇了長(zhǎng)春第一光學(xué)儀器廠 leelf 型編碼器（每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為 1200 個(gè)）。為了重復(fù)切削不亂牙，數(shù)控系統(tǒng)在接收到光電編碼器的一轉(zhuǎn)脈沖才開始螺紋切削的計(jì)算。保證主軸每轉(zhuǎn)一周，刀具準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程。必須在主軸上安裝光電編碼器，光電編碼器通常與主軸直接聯(lián)結(jié)（傳動(dòng)比 1： 1），為保證切削螺紋的螺距準(zhǔn)確，要求主軸轉(zhuǎn)一周工作臺(tái)移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程，必須有固定的起刀點(diǎn)的退刀點(diǎn)。 抗污染能力差，容易損壞。 由于光電交換器性能的提高，可得到較快的響應(yīng)速度。能把機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)床上使用廣泛的位置控制裝置。熱繼電器（ FR）的一組常開觸點(diǎn)接入 X111 輸入點(diǎn)，當(dāng)電機(jī)過熱時(shí)，熱繼電器（ FR）動(dòng)作，使 有效， PLC 單元產(chǎn)生報(bào)警，并切斷主軸電機(jī)的電源。正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)命令通過面板操作寫在程序中，由 PLC輸出端口控制正轉(zhuǎn)繼電器（ KAZ）或反轉(zhuǎn)繼電器（ KAF），使接觸器 KM1 和 KM2 動(dòng)作，完成主軸的正反轉(zhuǎn)切換，為減小主軸電機(jī)的起動(dòng)電源，使用了 KM KM KM5三個(gè)接觸器來完成電機(jī)的 Y△切換。 [1]《機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)》 P5147，配備相應(yīng)的電氣控制設(shè)備。 當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，由 150BF002 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性圖 18（ b）知該電動(dòng)機(jī)能滿足要求，根據(jù)上述計(jì)算綜合分析，縱向進(jìn)給系統(tǒng)采用 150BFOO2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能滿足要求。 由圖 6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)矩頻特性可看出，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)， f 起 =2500HZ 時(shí)，M=100N但還得考慮電機(jī)起動(dòng)頻率特性和運(yùn)行矩頻特性。 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (1)、齒數(shù) Z1 、 Z2 折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 ： 34 5 3 4 31 1 111 7 . 8 1 0 / 3 0 . 4 5 1 0 0 2 7 8 /3 2 3 2 ggJ d L k c m c m k c m? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 34 5 3 4 32 1 111 7 . 8 1 0 / 6 0 . 4 5 1 0 4 4 6 /3 2 3 2J d L k c m c m k c m? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (2)、絲杠折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 從表查得 1m 的絲杠的MJ = ∴ JS = = (3)、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 ： J=J1 + 220122( ) ( ) ( )2S LZ WJJZG ????????? =+ ( 221 5 6 0 0 0 . 5) 4 4 6 1 2 6 ) ( )3 0 9 . 8 2 3 . 1 4??? ? ? ??????= 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇 機(jī)床在不同的共況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同， (1) 快速空載起動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩 是： 將已知數(shù)據(jù)代入， m a xm a x 0 1 2 0 0 0 . 7 53 6 0 0 . 0 0 5 3 6 0bpvn ?? ? ? ??=500r/min 考慮了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以后，傳動(dòng)系統(tǒng)折算的電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J總 =JM +J=10+ = Mamnx 2m a x2 1 0 1 2 460 anJ t? ?? ? ? ? ?總 2m a x2 1 0 1 2 460 anJ N c mt? ?? ? ? ? ?總 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩 /0 0 021() ( 2808 600) 2 2 22 CfF L f F W LMZiZ?? ???? ? ? ?? ? ???= 附加摩擦力矩 /2 2 2000 0 0210. 04 ( 28 08 60 0) 0. 6( 1 ) ( 1 ) ( 1 0. 9 )2 2 3. 14 0. 8 22 mFp oL f F LMZiZ???? ???? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? = 則 M起 =Mamax +Mf +M0 =++= （ 2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 M快 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系 畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì) 25 M快=Mf +M= + = （ 3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 M切 0ftM M M M? ? ?切=Mf +M+ 1 4 0 4 0 . 52 5 . 1 0 . 7 . 5 6 . .2 2 0 . 8 2N c m N c m N c mi? ? ? ?? ? ? ??toFL=.cm+ += 從上面計(jì)算看出 M起、 M快、 M切三種情況下，以最大切削負(fù)載時(shí)所需轉(zhuǎn)矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的依據(jù)。 I= 21ZZ =3015 因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大。 此變形量仍不能滿足要求，如果將滾珠絲杠再經(jīng)過預(yù)拉伸，剛度還可以提高四倍，則∴總變形量 ? = 1 383 0954 ??＞ 。其實(shí)際變形為 ?? 。 1? 在總變形量中占的比重教大 . 010l Ll? ??? 式中 l —— 滾珠絲杠支撐間的受力長(zhǎng)度 (mm) 0l —— 滾珠絲杠的導(dǎo)程 (mm) 0l?—— 在工作載荷作用引起的導(dǎo)程變化量 (mm) 又∵ 00 mFLl EA? ?? 式中 mF —— 軸向平衡載荷 E —— 材料彈性模量 鋼 = 10 ( / )N mm? A —— 滾珠絲杠 橫截面積 A= 2 21 ()4d mm? = 2 2 21 6 .7 6 2 2 0 .54 m m m? ?? 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系 畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì) 22 00 mFLl EA? ?? = 62 5 4 5 .2 52 0 .6 1 0 2 2 0 .5 mm?? ?? = 10 mm??? 4 201 0 2 . 8 0 1 0 4 5 0 2 . 5 2 1 05l mml m m?? ?? ?? ? ? ? ? ?mm “ +”號(hào)用于拉伸。因橫向留板空間限制，不宜再加大滾珠絲杠直徑，故采取貼速導(dǎo)軌減小摩擦力，從而取減小最大牽引力。 顯然，此變形量已大于定位的要求，不符合要求 。其實(shí)際變形為 ?? 。 1? 在總變形量中占的比重教大 . 010l Ll? ??? 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系 畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì) 20 式中 l —— 滾珠絲杠支撐間的受力長(zhǎng)度 (mm) 0l —— 滾珠絲杠的導(dǎo)程 (mm) 0l?—— 在工作載荷作用引起的導(dǎo)程變化量 (mm) 又∵ 00 mFLl EA? ?? 式中 mF —— 軸向平衡載荷 E —— 材料彈性模量 鋼 = 10 ( / )N mm? A —— 滾珠絲杠橫截面積 A= 2 21 ()4d mm? = 2 2 21 6 .7 6 2 2 0 .54 m m m? ?? 00 mFLl EA? ?? = 63 3 5 3 .2 8 52 0 .6 1 0 2 2 0 .5 mm?? ?? = 10 mm??? 4 201 0 3 . 6 9 1 0 4 5 0 3 . 2 1 1 05l mml m m?? ?? ?? ? ? ? ? ?mm “ +”號(hào)用于拉伸。 21m ax 2 1wdf EIF lf?? 式中 E—— 絲桿材料彈性量，對(duì)綱 E= 1011 N/m2 L—— 絲杠兩支承端距離（ m）， L=。 傳動(dòng)功率 ? 滾軸絲桿副的傳動(dòng)功率為： ? =tgr/tg（ r+? ） == 002 43(2 43 10 )ggtt ???? = 式中： r—— 絲杠的螺紋升角 ? —— 摩擦角。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值 Cm，即為滾珠絲杠桿副所能承受的最大當(dāng)量動(dòng)載荷 Cm 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系 畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì) 19 3 Mwm aLF fC f? 式中： wf —— 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) af —— 精度系數(shù) ∴ 3 Mwm aLF fC f?= 3 18 ?? = 根據(jù) CCm 的原則，查 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》化學(xué)出版社出版，第三章第 3卷，選取滾軸絲桿的型號(hào)為： 左，坐標(biāo)直徑為 25mm，即外循環(huán)，齒差調(diào)隙式，一圈 列。采用雙片齒輪錯(cuò)齒法消除齒輪副間隙，并在溜板箱上安裝了縱橫向進(jìn)給按鈕和急停按鈕，以適應(yīng)機(jī)床調(diào)整時(shí)的操作和意外事故的緊急處理。 改造步驟： 保留原手動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于微機(jī)進(jìn)給和機(jī)床刀具對(duì)空操作；保留原有的支承機(jī)構(gòu)；步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱體安裝在機(jī)床后側(cè)，為了便于安裝滾珠絲杠。 圖 5 150BF002 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性 a) 起動(dòng)矩頻特性 b)運(yùn)行矩頻特性 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系 畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì) 18 當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，由 150BF002 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性圖 18（ b）知該電動(dòng)機(jī)能滿足要求，根據(jù)上述計(jì)算綜合分析，縱向進(jìn)給系統(tǒng)采用 150BFOO2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能滿足 要求。㎝），直接使用會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（可用軟件實(shí)現(xiàn)），將起動(dòng)頻率降到 1000HZ時(shí)，起動(dòng)扭矩可增高到 588N 由圖 5步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)矩頻特性可看 出，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)， f 起 =2500HZ 時(shí)，M=100N但還得考慮電機(jī)起動(dòng)頻率特性和運(yùn)行矩頻特性。 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系 畢業(yè)（論