基于FANUC数控系统JM1650加工中心电气控制电路设计及调试设计

1目录目录 .11绪论 .11.1加工中心的应用与发展 .11.2加工中心数控系统基本组成 .42 JM1650加工中心主轴与进给驱动系统总体设计 .62.1 JM1650加工中心概述 .62.2 主轴驱动系统设计及电机选用 .82.4 进给驱动系统设计及电机选用 .92.4.1 Y轴传动系统设计及电机选用 .92.4.2 X轴传动系统设计及电机选用 .163 基于 FANUC系统 JM1650加工中心的电气控制系统设计 .203.1 拟定总体设计方案 .203.2 FANUC数控系统 0I-MD系统介绍 .203.3 综合连接图 .223.5 JM1650加工中心操作面板设计 .243.6 JM1650加工中心输入输出接口图 .263.7 JM1650加工中心 PMC输入输出地址分配 .364 JM1650加工中心电气软件功能设计 .384.1 CNC、PMC 与 MT之间的关系 .384.2 JM1650加工中心 PMC编程 .384.3参数设置过程与方法 .575 JM1650加工中心电气系统的调试 .585.1 JM1650加工中心电气原理图的施工 .585.2 JM1650加工中心电气系统的调试 .585.2.1 JM1650加工中心主电路的调试 .585.2.2JM1650加工中心控制面板程序调试 .59总结 .60总结 .60参考文献 .61 21 绪论1.1 加工中心的应用与发展随着经济的发展，各行业不仅对零件精度要求越来越高，而且对零件的形状也有非常高的要求，在这时，车床和铣床不能解决零件精度和形状的问题，人们迫切需求一种新的数控床来解决这些问题。随之，加工中心面世，加工中心以其独特的加工角度和庞大的刀具刀库，能够将多道工序集中在一起，这样解决了加工精度和加工形状等问题。进入 21世纪以来，我国加工中心快速发展，其产量由 2001年近 5百台增加至 2010年的 2万多台，产值从 2001年的 3千多万美元增加至 2010年的近 13亿美元。消费数量从 2千多台到近 4万台，年消费金额从 3多亿美元增加到 40多亿美元。目前，加工中心已成为我国数控金切机床中产值仅次于数控车床的第二大类产品。随着我国机床工业的发展，加工中心的技术水平也得到了较大发展，加工中心主要生产企业均加大了产品研发的资金投入，一批国内急需长期依赖进口的高档加工中心，如高速加工中心、五轴加工中心等取得了突破，并已进入批量生产。但是，由于我国机床行业发展较晚，与发达国家相比，我国加工中心行业与国际先进水平仍有一定的差距，目前国外加工中心技术发展的总趋势是高速、精密和多功能，其产品开发针对难加工材料的重切削机种、针对复杂开关加工的智能多轴控制 NC装置和综合多轴控制 CAM系统。加工中心最初是从数控铣床发展而来的。第一台加工中心是 1958 年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置， 从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。二十世纪 70 年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心， 它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。机械制造技术是研究产品设计、生产、加工制造、销售使用、维修服务乃至回收再生的整个过程的工程学科，是以提高质量、效益、竞争力为目标，包含物质流、信息流和能量流的完整的系统工程。现在加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备，它加工范围广，使用量大。近年来在品种、性能、功能方面有很大的发展。品种：有新型的立、卧五轴联动加工中心，可用于航空、航天零件加工；有专门用于模具加工的高性能加工中心，集成三维 CAD/CAM 对模具复杂的曲面超精加工； 有适用于汽车、摩托车大批量零件加工的高速加工中心，生产效率高且具备柔性化。性能：普遍采用了万转以上的电主轴，最高可达 610 万转；直线电机的应用使机床加速度达到了 3-5g；执行 ISO/VDI 检测标准， 促使制造商提高3加工中心的双向定位精度。功能：糅合了激光加工的复合功能，结构上适合于组成模块式制造单元(FMC)和柔性生产线(FMS)，并具有机电、通讯一体化功能。机械加工中心具有工序集中、对加工对象的适应性强、加工精度高、加工生产率高、操作者的劳动强度减轻、经济效益高、有利于生产管理的现代化等突出特点。用加工中心加工零件，能够准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点有利于使生产管理现代化。当前有许多大型 CAD/CAM 集成软件已经开发了生产管理模块，实现了计算机辅助生产管理。做好基础自动化的工作仍是我国制造企业一项十分紧迫而艰巨的任务。但加工中心无论是数量还是利用率都很低。可编程控制器的使用并不普及，工业机器人的应用还很有限。目前，加工中心正朝着高效化、高精度、高速化的方向迅速发展，随着制造业对机床的精度和生产效率要求越来越高，主轴转速 12 000r/min 以上，有的高达4000060000r/min，快移速度高达 7080m/min 的高效高精机床已经是机床行业流行的趋势，而高速加工中心换刀时间(刀-刀)普遍在 1.53.5s，有的快到 0.80.9s；托板交换时间普遍在 68s。五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高，专门用于加工复杂曲面的机床， 这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等行业，有着举足轻重的影响力。为了提高生产效率，最大限度降低生产成本，把工业机器人同机床有效地结合在一起， 让机器人从事简单而且重复的劳动，不但可以节省大笔的人工费用，同时，机器人不会疲劳且不会产生错误，因而对生产质量的稳定起到了很大的作用。“绿色生态机床” 是近年来机床行业的一种发展趋势，其强调了机床、环境、人三者之间的关系，目地是大幅度提高机床生产效率的同时降低对环境的影响和对操作者健康的危害。近十多年来，新型刀具材料的不断出现与机械制造技术及控制技术的发展相结合，把切削加工的能力和水平提高到一个崭新的高度，从而促进了高速加工中心的开发与发展。具有足够的耐热性、耐磨性和耐破损性的刀具材料是高速加工的前提。采用主轴、电机一体化的主轴部件，主轴也是电机的转子，定子装入主轴套筒内，取消了传统的电机经齿轮和皮带传动主轴的结构。这种主轴结构减少了关键零件，减少了振动，增加了可靠性，可获得高转速和高的加(减)角速度。为此，主轴支承采用陶瓷轴承、静压轴承、动压轴承、空气轴承以及气油润滑、喷射润滑等技术。对加工中心的所有坐标轴驱动均采用快速、精密、高精度和耐用的直线电机，可显著地减少诸如摩擦力、间隙和磨损等机械传动特性的影响，可获得一致的高精度的位移 4运动、动态位移和精确的定位，其快速行程可达到 60m/min。直线电机具有高的加(减)速度变化率，显著地缩短了定位时间。为此，坐标轴采用静压或新型直线滚动导轨，还采用了高响应位置检测元件等技术。采用新型换刀机构和伺服驱动的托板交换装置，大大提高了换刀速度和托板交换速度。为克服传统加工中心使用的 724 实心锥柄刀杆在高转速时的致命弱点，开发了“双定位刀杆” 。这种新结构刀柄的定位方式为靠 110 的锥部与主轴内锥面定心，同时刀柄凸缘端面与主轴前端面紧贴，从而获得高转速的联接刚性。当前已有法国 HSK系列产品，美国 KM系列产品，日本、瑞典也有类似产品。1.2 加工中心数控系统基本组成加工中心数控系统一般包括硬件部分、软件部分、CNC 信息处理装置几个部分组成：考虑到机床数控的功能、自动化程度和加工精度，计算机数控系统在硬件上有多种构成方式。以经济型数控系统为例，它由主模块（含有系统控制与管理功能的模块）和PLC模块两个含微处理器电路的模块组成，CNC 核心功能、通信、显示和可编程控制器的逻辑控制功能等任务都由它们共同完成。数控机床的加工过程是用数控加工程序描述并输入数控系统的。对输入的数控加工程序进行译码、刀补处理及插补运算等，是由数控系统的控制软件实现的。在现代数控系统中，一般使用 PLC进行数控加工程序中有关机床电器的逻辑控 制及其它一些开关信号的处理，这些逻辑处理和控制是用 PLC控制程序来实现的，它常采用梯形图语言来编写。此外，数控功能程序和 PLC控制程序的运行也都需要相应的计算机系统软件的支持。计算机数控系统的软件结构有：数控硬件、各种外设；外设驱动软件；实时管理软件依赖于硬件部分；实时管理软件不依赖于硬件部分；图形库；实时数据库；数控功能程序。接通电源后，数控装置和可编程控制器都对数控机床组成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初始状态。 数控机床正常工作后，开始输入数控加工程序。数控加工程序在加工准备阶段利用专门的编程系统产生，保存到数控介质上，再输入数控装置或者采用通讯方式。另一种情况，直接利用数控装置的编程环境进行数控加工程序的编写。加工控制信息输入后，可选择一种加工方式启动加工运行。此外，数控装置在系统控制程序作用下，首先对输入的加工控制信息进行预处理，即进行译码、刀补计算和速度处理等，然后开始逐段执行数控加工程序。 在连续轮廓加工过程中，数控装置要根据轮廓段已知的几何数据，以及相应工艺数5据中的速度信息，计算出轮廓段起点、终点之间的一系列中间点，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度都确定的协调的运动序列命令，通过各个运动轴的合成，获得数控加工程序要求的工件轮廓的刀具运动轨迹。数控装置向各个轴伺服系统发出命令值，位置调节器将其与机床上位置检测元件测得的实际位置相比较，经过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床刀具或工作台运动，从而加工出要求的零件轮廓。 由数控装置发出的开关命令在系统控制程序的指挥下，在各加工程序段插补处理开始前或完成后，适时输出给机床逻辑控制器，由它将开关命令和机床反馈的回答信号一起被处理和转换为对机床开关电器的控制命令。 在机床的运行过程中，数控系统要随时监视数控机床的工作状态，通过显示部件及时向操作者提供工作状态和故障情况。此外，数控系统还要对机床操作面板进行监控。根据零件图样和加工工艺编写出数控加工程序送给 CNC装置，在内部进行一系列的处理后，输出给相应的位置控制信号给伺服系统，通过电动机和滚珠丝杠副驱动工作台或刀具进行移动，最后加工出合格的零件。其信息流流程图如图 1.1 所示：图 1.1 信息流处理过程一般数控系统必须具备的核心功能，包括准备功能（G 功能） 、进给功能（F 功能） 、主轴转速功能（S 功能） 、辅助功能（M 功能） 、刀具功能（T 功能）等。数控系统的可选功能包括：编程功能、加工模拟功能、监测和诊断功能、测量和校正功能、用户界面功能、通信功能、单元功能，数控系统其它一些先进功能包括：半径直接编程、倒角功能、恒线速度切削功能、刀尖圆弧半径补偿功能、刀具寿命管理功能、镜像加工功能、自动交换工作台功能、靠模加工与数据采集功能、动力刀具与 C轴功能、子程序与用户宏程序、循环加工功能、跳步功能、自动工件检测功能、螺纹加工中的特殊功能、同步轴控制功能、先进伺服控制功能、逆动功能、比例缩放与坐标旋转功能。 62 JM1650 加工中心主轴与进给驱动系统总体设计2.1 JM1650 加工中心概述JM1650 是立式加工中心较大规格、高效通用自动化机床。该机床可配备先进的FANUC或 SIEMENS 数控系统，具有 CNC标准功能，同时配装了刀库容量为 24把刀的圆盘式机械手刀库，以满足切削时自动换刀需要，可完成铣、镗、钻、铰、攻丝等多种工序的切削加工。该机床广泛适用于军工、汽车、航空、模具、机床、农机等制造行业的各种零件的精密加工，同时由于机床刚性好，主轴电机功率大，低速扭矩大,特别适合于具有复杂外形或型腔的中大型工件和模具以及凸轮、样板等各种机械零件的加工。机床大件采用稠筋封闭式框架结构，刚性高，抗振性好，底座、立柱、主轴箱体、十字滑台、工作台等基础件全部采用高强度铸铁，组织稳定，永久确保品质。铸件合理的结构程度与加强筋的搭配，保证了基础件的高刚性。宽实的四导轨机床底座，箱型腔立柱、负荷全支撑的十字滑台可确保加工时的重负载能力。粗、精加工均在进口五面体加工中心上加工，粗加工后进行二次热处理，确保加工应力的消除，从而保证了机床精度长久性。主传动采用大扭矩伺服主轴电机、同步齿形带传动，传动噪声低。主轴在 60-6000RPM范内无级变速，对各类零件加工的适应能力较强。主轴组整套从台湾进口，无论在高速或低速铣钻，均能持稳，确保加工精度，高速运转时，无共振现象，确保最佳的加工精度。X、Y、Z 三轴采用高精密 C3级滚珠丝杆，搭配预压式双螺帽，确保最低背隙。三轴滚珠丝杆以精密 P4级滚珠丝杆专用 60斜角滚珠止推轴承支撑，运转精度高。滚珠丝杆和伺服电机以绕性联轴器直联，效率高，背隙小。三向导轨均淬硬后精磨，配合面贴塑，导轨接触精度高，无低速爬行现象，并具有良好的耐磨性和精度保持性，使重负荷切削可达到更高定位精度。CNC控制系统可采用日本 FANUC数控系统，全数字式 AC伺服系统，软件功能丰富，数控系统配备标准 RS-232接口。JM1650立式加工中心具有以下突出的特点：1、加大跨距、加大主导轨宽、厚尺寸与床身四导轨设计，确保整机刚性。工作台尺寸及三向行程加大，适合更大尺寸零件的加工。2、铸件结构经过机床动力学分析和有限元分析，使其几何结构更加合理，工作台承重多达 3吨。加之与加强筋的恰当搭配，保证了基础件的高刚性。73、主电机采用 FANUC ap系列广域电机。通过对电机进线接法的改变，既可进行高速加工，又可实现低速大扭矩切削，根据需要还可配进口主轴齿轮变速箱，实现加工时的重负载能力。4、床身、立柱等机床大件由本公司自行铸造、热处理及加工，确保整机性能。大件粗、精铣类加工均在进口五面体加工中心上，而导轨由进口 WARLDRICH精密导轨磨床精磨。5、FANUC 0i-MD 全数字式 AC伺服系统，主轴、三轴伺服同 CNC控制系统，i 系列，Z 轴伺服扭矩加大。6、滚珠丝杠两端均给予预拉伸，大大增加了传动刚度并消除了快速运动时产生的热变形影响。配以高精度激光螺距、间隙补偿，使各轴移动位置更加准确，更适合加工出高精度的零件。确保了机床的定位精度和重复定位精度。7、主轴箱移动（Z 轴）配有导向平衡锤装置。即使在高速移动时，配重也不产生晃动。配重与主轴箱重量比例精确可获得最佳的加工特性。且使 Z轴驱动电机具有良好的负载特性。8、工作台长度最大可增至 2350mm，适合加配大规格数控转台及双数控转台，又由于整机高刚性及主轴大功率，加长工作台后特别适合长而薄的叶片加工。9、大罩内侧配有强力冲屑装置。10、方形全封闭防护罩，牢固、美观、安全，保护环境。11、主要外购件均选用进口或名牌厂家产品，确保产品可靠性和精度保持性。12、可根据用户要求定配防护罩油漆颜色。13、整机刚性好，重量达 17吨。JM1650加工中心主要技术参数如下:名称 单位 技术参数X 轴行程 mm 1650Y 轴行程 mm 850Z 轴行程 mm 710主轴端面至工作台面距离 mm 150-860工作台中心至立柱导轨面距离 mm 440-1290工作台面积 mm 8001850工作台最大承重 kg 3000主轴最高转速 rpm 6000主轴孔锥度 BT-50X/Y/Z 轴快速位移 m/min 15/15/12 8最大切削进给率 m/min 5刀具数 pcs 24换刀时间（刀- 刀） sec 2.9刀具最大长度 mm 400刀具最大直径 /相邻无刀 mm 110/200刀具最大重量 kg 15主轴电机 kw 15/18.5X/Y/Z 电机 kw 7冷泵电机 kw 0.75+1.5定位精度 mm X:0.026,Y/Z：0.02重复定位精度 mm X:0.013,Y/Z：0.012机床总高 mm 3390占地面积（长宽） mm 45003890机床重量 kg 17000机床总功率 kw 502.2 主轴驱动系统设计及电机选用主轴箱是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和减速齿轮等组成的。主轴的启动、停止和变速等均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响，它决定着加工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。主轴内部刀具自动夹紧机构是自动刀具交换装置的组成部分。对于现在的机床主轴传动机构来说，主要分为齿轮传动和同步带传动。齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，应用普遍，类型较多，适应性广。其传递的功率可达近十万千瓦，圆周速度可达 ，效率可达 。齿轮传动大多数为传sm209.0动比固定的传动，少数为有级变速传动。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。同步带是啮合传动中唯一不需要润滑的传动方式。在啮合传动中，它的结构最简单，制造最容易，最经济，弹性缓冲的能力最强，重量轻，两轴可以任意布置，噪声低。它的带由专业厂商生产，带轮自行设计制造，它在远距离、多轴传动时比较经济。同步带传动时的线速度可达 （有时允许达 ） ，传动功率可达 ，传动比可达sm50sm10kW30（有时允许达 ） ，传动效率可达 。1029.选用变频调速电机，频率范围 2-100Hz，4 级，转速范围 100-6000/min。当 f50Hz时为恒功率调速。故有，当 f=50Hz时电机有最大转矩，若电机额定功率为 15kW，则 。现选用带传动比为 1：1.2，齿轮传动比为max=607.8MN1：1 或 1：3 的二联齿轮传动副。则主轴转速范围为 100r/min-6000/min，满足要求。查阅有关变频调速电机特性曲线图及电机资料，主轴电机可选用型号为 CTB44P0BXB33的变频调速电机， 4级变频， 频率范围 2-100Hz, 转速范围 100-6000RPM，拐点转速（50Hz）1430r/min，额定功率 15kW，最大转矩 6000Nm转矩与频率的关系曲线 功率与频率的关系曲线图 2-5 电机特性曲线图表 2-2 电机参数表变频器功率（kw）型号额定功率（kW）机座号额定转速(r/min)额定电流(A)额定转矩(N.m)堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩转动惯量（kg.）重量（Kg）A 型 B 型CTB-4015BXB50-615 180M-4 970 31.8 147.6 1.3 2.2 0.207 180 15 18.5注：额定电压/频率：380V/50Hz 极数：4 极同步转速 1430转/分2.4 进给驱动系统设计及电机选用2.4.1 Y 轴传动系统设计及电机选用设计过程中，采用步进电动机和滚珠丝杆副。步进电动机与丝杆之间的传动采用齿轮一级传动式，在设计步进电动机与丝杆的连接时，尽量减少传动间隙。轴承采用能达到精度要求的。采用的进给系统机械传动流程如下：电动机消隙齿轮滚珠丝杠螺母副加工中心工作台切削功率 ：由机床设计手册可知切削功率：CP（2=K1）式中 10：主轴电动机功率， = ；PP15kW：主传动系数总功率，一般为 ，取 = ；85.07.8.0：进给系统功率系数，取 =KK96则 =150.8961.52kC切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大铣削力（或转矩）和最大切削转速（或转速）来计算。若按最大切削速度来计算，取切削速度 = ，根据公式：10min/CP= 60zF13（32）式中 Z主切削力（ N） ；切削速度（ min/） ；则主切削力为： 33cz601.5210=692vF根据机床设计手册可得：纵向切削分力： XF= ).(Z横向切削分力： Y= 50F取 z0.6.91247.NX=536YZF滚珠丝杆螺母副，是在丝杆和螺母间，以滚珠为滚动体的螺旋传动机构。是回转运动和直线运动相互转换的一种新型传动装置，具有摩擦系数小、传动精度高、平稳性能好等特点。在设计过程中，滚珠丝杆的选择要根据机床的实际情况及工作负载情况，计算出丝杆工作时的最大载荷及丝杆的工作寿命等参数进行选择，最大动载荷必须小于丝杆的额定动载荷。滚珠丝杆螺母副是标准化生产，其规格型号都按国家标准。其选择的详细计算如下：首先计算滚珠丝杠的工作负载 。可根据机床设计手册中进给牵引力的实mF)(N验公式计算则= + + （23）mFKXf(ZG)式中切削分力 N颠覆力矩影响的实验系数， = ；K15.滑动导轨摩擦因数， = ，取 = ；f f80.f6.0工作台承重， =GG4则 m=1.547.20.16(92)FNN11根据进给速度和滚珠丝杆螺距计算出丝杆的转速，再根据丝杆转速计算出丝杆的寿命。滚珠丝杆转速 ：n= （24）nofP式中进给速度，取f min/60滚珠丝杆的螺距，取o则 = = =nofPi/ri/1r寿命计算公式： = （25）t60nT其中加工中心 可取15000h，则= = 万 =t610nT615r万9根据切削力和运动部件的质量引起的进给阻力，计算出丝杆的轴向载荷，再计算出丝杆副应能承受的最大动载荷 ，最大动载荷计算公式：C= （2CmHwFft36）式中寿命，以 为 单位；t610运转系数，按一般运转 = ，取 = ；wf wf5.12wf2.硬度系数，为 时， = ，小于 时， ，这里取 = ；HHRC60HRC60Hf1Hf1进给牵引力mF则 = =CmHwft3391.2651278根据 的原则，使选取的滚珠丝杆的额定动载荷大于计算的最大工作动载荷，a查现代实用机床设计手册可知，可选择滚珠丝杆的型号为 CDM32065P4，其公称直径为 ，其额定动载荷为 ，强度满足要求。322650178NCDM32065P4滚珠丝杆的参数数值如下表：表3-1 CDM3206 5P4滚珠丝杆具体参数 12公称直径/m基本导程/钢球直径/丝杆外径/m螺纹底径/额定动载荷 /N额定静载荷/接触刚度/ )(m滚珠丝杆型号 0dPWD1d2循环圈数 aCa0RCDM32065P4 3269.35.75267316根据机械原理 ，丝杠螺母副的传动效率的计算公式为：tan=()（27）式中：为丝杆螺旋升角，根据 计算得， = 0)14.3arctn(dP253o为摩擦角，取 =10则 tan325=.93()o滚珠丝杆工作时受轴向力和转矩的作用，将引起导程 的变化，因滚珠丝杆受转矩0P时引起的导程变化很小，可以忽略不记，所以工作负载引起的导程变化量为：= （20PEAFm08）式中滚珠丝杆导程，取 = ；0 m6c.0材料弹性模量，对于钢，取 （ ） ；EMPa41.226/10.2cmN滚珠丝杠截面积，按丝杆螺纹底径确定，即 = ，则A d7= = =2)(d14.3)7.(22765cm所以 = =0P.6.090.滚珠丝杆受转矩引起的导程变化量 很小，可以忽略不计，即 = ,所以导程变P1P形总误差 为：总= （29）总P0总式中13Y轴（纵向）最大行程，由拟定参数中可知， = =总P 总Pm50c则 = = =总0总 5104.65m/7.由现代实用机床设计手册可知，4 级精度丝杆允许的螺距误差为，故此丝杆精度足够。m/75.1/3根据齿轮传动传动比的计算公司：（210）06opbiP式中 b步进电动机的步距角0丝杆螺距p脉冲当量根据系统的脉冲当量，一般情况下加工中心取 p= /01.m步，选步进电动机的步距角 b= o75.， 0P= m6，则03.1i 8pb可选定齿轮齿数为： 2340Zi由于进给运动齿轮受力不大，且根据优先选用第一系列的原则，可取模数 m=2，齿轮传动效率 i= 98.0，由经验公式可知，齿宽 b= m20，则分度圆直径分别为：1326dZm24中心距为： 1234()7Za伺服电动机的种类有很多，在经济型的数控化设计中常选用步进电动机。步进电动机是将电脉冲控制信号转化成机械角位移的执行元件，通过控制输入点脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序等实现单位时间内通过点脉冲越多，电动机的转速越高。选择伺服电动机应考虑三个要求：1）最大切削负载转矩不得超过电动机的额定转矩；2）电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配；3）快速移动时，转矩步得超过伺服电动机的最大转矩。负载转动惯量计算可以通过折算到步进电动机轴上的转动惯量计算，计算公式为：（2-11）2231b180=igFJGi 14式中 FJ：折算到电动机上的转动惯量 )(2cmkg；1：齿轮 1Z的转动惯量 )(2；2：齿轮 2的转动惯量 ；3：滚珠丝杆的转动惯量 ；：计算参数工作台 G=4000N， ， ，将其折算为电动机轴上的转动惯量为：=0.1b.75222218084()()0=3.6kgcm3.8bGig在本设计中，齿轮可看做材料为钢的圆柱形零件。对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量计算公式为：（212）4=7.810Jd式中b齿宽或者零件轴向长度；d齿轮直径或者圆形零件的直径由前面的计算可知，齿轮的直径 1d= m64， 2d=80，齿轮宽度为 1b= 2= cm，则齿轮 1Z转动惯量： 417.802.kgcJ齿轮 2转动惯量： 42239计算丝杆转动惯量时，丝杆直径要采用其螺纹底径进行计算，由前面知道的丝杆直径可查得其螺纹底径 3d= .，长度 b=10，则丝杆加在电动机轴上的转动惯量4423=7.810715kgcJ则负载总转动惯量为: 2 2231 2b86.39547.6=.8kgcmii08FJG根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩可按下式计算：（2-13）m0i=2PT0取 96.，代入前面计算所得的数据，则 3m7.1=.52m340.98N如果不考虑起动时运动部件惯性的影响，取安全系数为 0.5，则起动转矩为：q.52=0T查实用电机手册 ，当步进电动机为五相十拍时，选步进电动机的起动转矩和最大静转矩的关系为： qjmax.951Tj=7.4N因数控机床对动态性能要求较高，确定电动机以最大静转矩运动时，应满足快速空载起动所需转矩 的要求：15（2-14）amxf0=T式中 a快速空载起动时所需的转矩；f克服摩擦所需的转矩；0T丝杆预紧所引起的折算到电动机轴上的附加转矩当工作台快速移动时，电动机的转速计算公式为：n= 0maxPi（315）式中 a快速移动速度，由立式加工中心拟定参数可知为 min/120代入之前所得的 i、 0P的数据，则n= 68.12= n/r由动力学可知： maxT= FJ其中， = t30， 为加速时间常数， t= 025.s，则max= FJ= 025.1648.24= mN.fT的计算公式为：f= iGP0（316）代入数据，则f= 8.096.143213= N0T的计算公式为：= iPF0（2-17）式中 预加载荷，一般为最大轴向载荷的 1/3，即0= m31=2.79= 3.0则0T= iPF02= 8.96.14= mN20所以= 0maxTf= .= 3步进电动机的最高工作频率计算步进电动机的最高工作频率计算公式为：maxf= ax10（318）代入数据，则 16maxf= 601ax= 01.2= Hz即，步进电动机的最高工作频率为 0在步进电动机的选择过程中，其输出转矩、起动频率和空载运行频率等参数都要比理论计算值大。由实用微电机手册查得，130BF001 反应式步进电动机的空载运行频率为 Hz3，足够提供此处所需的运行频率，所以可选用 130BF001反应式步进电动机。130BF001反应式步进电动机的具体参数如下表：表 2-4 130BF001 反应式步进电动机的具体参数型 号 相数保持转矩 /mN步距角()静态相电流/A空载运行频率/Hz空载起动频率/转动惯量/ 2cmkg使用电压范围/V质量/kg130BF001 5 9.31 0.75 10 30000 3000 40 12-80 102.4.2 X 轴传动系统设计及电机选用首先计算 X轴滚珠丝杠工作负载：工作负载的计算可根据机床设计手册进给牵引力的实验公式计算，公式为： mF=KY+ f(ZXF2+G)代入前面的 = N40； K= 15.； f= 6.0，则= )4293(6.15. = N16.987根据进给速度和滚珠丝杆副距计算出丝杆的转速，再根据丝杆转速计算出丝杆寿命。可参照纵向滚珠丝杆计算出的丝杆寿命，即 t= 610nT= 60万 r= 万9根据切削力和运动部件的质量引起的进给阻力，计算出丝杆的轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出滚珠丝杆副应能承受的最大动载荷，其计算公式和纵向最大动载荷计算公式一样，即 C= mHwFft3其中，取 = 2.1； Hf= ；代入其他数据，则= ft3= 16.2987.3= N95.4根据 a的原则，使选取的滚珠丝杆的额定动载荷大于计算的最大工作动载荷，查现代实用机床设计手册可知，这里可选择型号为 CDM40065P4的滚珠丝杆，其公称直径为 40，额定动载荷为 .，强度可满足要求。CDM40065P4滚珠丝杆的具体参数如下表：表 35 CDM40065P4滚珠丝杆的具体参数公称直径/m基本导程/钢球直径/丝杆外径/m螺纹底径/额定动载荷/N额定静载荷/接触刚度/ )(mN滚珠丝杆型号 0dPWD1d2循环圈数 aCa0R17CDM32065P4 4069.35.1.32587195021根据机械原理 ，丝杠螺母副的传动效率可有式（37）计算，其中取 = ，0)1.arctn(dP=)401.6arctn(= o，则= )42t(o= 942.滚珠丝杆工作时受轴向力和转矩的作用，将引起导程 0P的变化，因滚珠丝杆受转矩时引起的导程变化很小，可以忽略不记，工作负载引起的导程变化量可用式（38）计算，其中钢的弹性模量取 E= MPa4106.（ 26/1.2cmN） ；丝杆螺纹底径确定为2d= cm51.，则滚珠丝杠截面积A=2)(=.3)51.(2= 279cm所以 0P= 6.1.0987= 61滚珠丝杆受转矩引起的导程变化量 P很小，可以忽略不计，即 1P= ,导程变形总误差 总 可用式（39）计算，最大行程由拟定参数中可知， 总 = m50= c，则总=0总=61.5= m/5.7由现代实用机床设计手册可知，4 级精度丝杆允许的螺距误差为m/.7/3，故此丝杆精度足够。横向电动机与滚珠丝杆的连接也是通过一对齿轮单级传动构成。这样配置的目的是减少传动链，进而减少传动误差。在纵向的齿轮计算中，选择的脉冲当量为 p=步/01.，这里也可以使用一样的脉冲当量，步距角则可以选择比纵向的步距角小一点，这里可以取 b= o6.0， 0P= 则传动比为：i= 036Pbpo= .1=齿轮的安装方式一般有两种：一种是齿轮完全暴露的外边，称为开式齿轮传动；一种是在经过精确加工而且封闭的箱体内的，称为闭式齿轮传动。闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的平稳性，减小冲击振动，以齿数多些为好，根据机械设计中齿数的选择，小齿轮齿数可取为 1Z= 402,取 1Z=2，则2Z= 1i= 4=2由于进给运动齿轮受力不大，且根据优先选用第一系列的原则，可取模数 m=2，齿轮传动效率 i= 98.0，由经验公式可知，齿宽 b= m，则分度圆直径分别为：1d= m= =2=Z= 24=中心距为：a=)(1=)4(= 8横向传动部分与纵向传动部分的传动方式是一样的，因此也选用步进电动机。 18和纵向负载转动惯量计算一样，横向负载转动惯量计算也可以通过折算到步进电动机轴上的转动惯量计算。首先计算折算到电动机轴上的转动惯量，用和之前一样的公式， G= N40， =01.， b= o6.，则giG2)8(=22104)6.0138(= 28.3cmkg横向齿轮也可看做材料为钢的圆柱形零件。对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量计算可用式（312）计算齿轮 1Z、 2的转动惯量 1J、 2，齿轮的直径 d= m48，齿轮宽度 b= cm，则1J= 448.208.7= 30cmkg2= = 3kg查 CDM40065P4滚珠丝杆的具体参数可知，螺纹底径可知 d= 1.35，长度 b=0，则丝杆加在电动机轴上的转动惯量为：3J= 441.2018.7= 237.ckg所以，负载总动惯量由式（31）计算可得：F= + 23iJ+ iGb2)8(=.17.08.= 2cmkg根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩可按式（313）计算， 0取 942.，代入前面计算所得的数据得： mT= iPF02= 198.042.1369873= mN.如果不考虑起动时运动部件惯性的影响，取安全系数为 3.0，则q= .= mN.查实用电机手册 ，当步进电动机为三相六拍时，选步进电动机的起动转矩和最大静转矩的关系为： = maxjqT= 86.0则 axj=q= .31= mN9.因数控机床对动态性能要求较高，确定电动机以最大静转矩运动时，应满足快速空载起动所需转矩 T如式（314）的要求。当工作台快速移动时，电动机的转速计算可用式（315）计算。式中 max快速移动速度，由拟定参数可知为 min/120代入之前所得的 i、 0P的数据，则n= 6120= n/r19由动力学可知： maxT= FJ其中， = tn30， 为加速时间常数， t= 025.s，则max= FJ= .30142.8= mN69.fT可有式（316）计算，代入数据，得f= iGP0= 18.942.1263= .0预加载荷，一般为最大轴向载荷的 / ，即0F= m31=.87= N.5T可根据式（217）计算，代入数据，得0= iP0= 198.042.1693= m.综合以上各式，得T= 0maxTf= .= N4步进电动机的最高工作频率用式（2-18）计算，代入数据，得maxf= 61ax= 01.2= Hz即，步进电动机的最高工作频率为在步进电动机的选择过程中，其输出转矩、起动频率和空载运行频率等参数都要比理论计算值大。为了避免步进电动机选型太过复杂和麻烦，在符合要求和条件的情况，横向可以选用与纵向同样的步进电动机，由实用微电机手册查得，纵向使用的110BYG350B三相混合式步进电动机的空在运行频率为 Hz30，足够提供此处所需的运行频率，所以可选用 110BYG350B三相混合式步进电动机作为横向的伺服电动机。110BYG350B三相混合式步进电动机的具体参数如下表所示：表 2-7 110BYG350B三相混合式步进电动机的具体参数型 号 相数保持转矩 /mN步距角()静态相电流/A空载运行频率/Hz空载起动频率/相电感/m转动惯量/ 2ckg使用电压范围/V质量/kg110BYG350B 3 12 0.75 2.8 30000 1600 30 12.6 80-325 10 203 基于 FANUC 系统 JM1650 加工中心的电气控制系统设计3.1 拟定总体设计方案如图 2.1可知，本次设计的基于 FANUC系统 JM1650加工中心分别由 FANUC 0i-MD系统，机床控制电器，X、Y、Z 轴进给驱动，电机主轴伺服控制，刀库电机控制，主轴电机冷却控制，冷却控制及其它信号控制电路组成。图 3.1 基于 FANUC 系统 JM1650 加工中心电器组成总框图3.2 FANUC 数控系统 0i-MD 系统介绍日本发那科公司(FANUC)是当今世界上数控系统科研、设计、制造、销售实力最强大的企业，总人数 4549人(2005 年 9月数字)，科研设计人员 1500人。2005 年 9月销售额18278 亿日元(约合 156 亿美元)，9 月每人平均销售额 9万美元。FANUC 目前数控系统月生产能力超过 7000套，大量出口，销售额在世界市场上占 50%，在日本国内占70%。2005 年数控系统在中国销售约 16 万台套，主要为中档产品。目前 Fanuc 32i加工中心已采用 windows操作系统。掌握数控机床发展核心技术的 FANUC，不仅加快了日本本国数控机床的快速发展，而且加快了全世界数控机床技术水平的提高。FANUC 能够在今天具有世界首位的实力与先进性，占领广大市场，决非偶然。FANUC公司是生产数控系统和工业机器人的著名厂家，该公司自 60年代生产数控系统以来，已经开发出 40多种的系列产品。FANUC公司目前生产的数控装置有 F0、F10/F11/F12、F15、F16、F18 系列。21F00/F100/F110/F120/F150系列是在 F0/F10/F12/F15的基础上加了 MMC功能，即CNC、PMC、MMC 三位一体的 CNC。FANUC 系统早期有 3系列系统及 6系列系统，现有 0系列、10/11/12 系列、15、16、18、21 系列等，而应用最广的是 FANUC 0系列系统。FANUC 系统的 0系列型号划分及适用范围:0D系列：0TD 用于车床0MD：用于铣床及小型加工中心0GCD 用于圆柱磨床0GSD 用于平面磨床0PD 用于冲床0C系统：0TC:用于普通车床、自动车床0MC:用于铣床、钻床、加工中心0GCC:用于内、外磨床0GSC:用于平面磨床0TTC:用于双刀架、4 轴车床POWER MATE 0：用于 2轴小型车床0i系列：0iMA用于加工中心、铣床0iTA:用于车床，可控制 4轴16i:用于最大 8轴，6 轴联动18i:用于最大 6轴，4 轴联动160/18MC:用于加工中心、铣床、平面磨床160/18TC:用于车床、磨床160/18DMC:用于加工中心、铣床、平面磨床的开放式 CNC系统160/180TC:用于车床、圆柱磨床的开放式 CNC系统FANUC:0i-MD是适用于加工中心的 CNC系统,它具有以下几个特点:（1）最大联动轴数:4 轴（2）最大主轴台数:2 台（3）最大总控制轴数：8 轴（4）最大进给轴数：7 轴（5）丰富、先进的控制软件功能包 22（6）可连接 FANUC 、i 系列伺服电机（7）可连接 FANUC 、i 系列主轴电机（8）丰富的显示单元：7.2单色 LCD/9单色 CRT8.4/10.4彩色 LCD显示器（9）操作编程指南 0i（10）先进的磨床功能（11）丰富方便的维修功能3.3 综合连接图图 3.2 综合连接图 IO及电源模块23图 3.3 综合连接图伺服电源和主轴控制模块图 3.4 综合连接图进给电机模块0i-MD控制器是 FANUC0i-MD数控系统的核心，主要集成了 CPU控制器、伺服控制器、主轴控制器、I/OLINK 接口、RS232 接口等功能