基于PLC回转刀库设计说明书

1、中北大学信息商务学院课程设计任务书 2013/2014 学年第 1 学期所 在 系： 机械自动化系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 于畅 学 号： 10020143X06 课程设计题目： 数控技术课程设计 基于PLC的数控车床回转刀库控 制系统设计 起 迄 日 期： 2014年1月4日2014年1月10日 课程设计地点： 中北大学信息商务学院 指 导 教 师： 彭彬彬 董磊 系 主 任： 暴建岗 下达任务书日期: 2013 年12月 31日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：通过本课程设计的训练，使学生在学完机床数控技术及相应的机床电器及PLC等课程之后，能够运用所学的知

2、识独立完成数控车床刀库的自动控制系统设计，从而使学生进一步加深和巩固对所学知识的理解和掌握，并提高学生的实际操作能力。1运用所学的理论知识，进行数控系统设计的初步训练，培养学生的综合设计能力； 2掌握三相反应式步进电机进给驱动的原理和控制方法；3掌握PLC控制系统设计的基本技能，具备查阅和运用标准、手册、图册等有关技术资料的能力；4基本掌握编写技术文件的能力。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：参考课程设计指导书1，对于普通车床数控化改造设计，电动刀架（四个 刀位）回转驱动由三相感应式步进电机实现，完成其选型计算，用4位拨动开关设定转动速度，并设计其启动停止、正反转、

3、加减速和步数控制系统，数控系统的脉冲当量为0.01rad/脉冲。通过本课程设计,完成 PLC选型输入输出信号分析与PLC的I/O分配图主要元器件型号的选择3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：3.1. 设计任务1.步进电机选型计算；2. PLC控制程序设计；3.2设计工作量要求：1.电路接线图和电器件清单；2.控制程序T形图及其对应的程序清单；3.编写课程设计说明书一份。（A4不少于10页）3.3 三个同学分为一组，同学们之间可以互相讨论研究工作内容和设计方法，但每 位同学的设计任务必须各有侧重独立完成，不能有雷同现象。4主要参考文献：l 要求按国标GB

4、 771487文后参考文献著录规则书写，例：1 傅承义，陈运泰，祁贵中.地球物理学基础.北京：科学出版社，19852 范超毅.数控技术课程设计.武汉:华中科技大学出版社,2007.53 范云涨.数控编程设计简明手册. 北京:机械工业出版社,1994.74 3.李方园.数控机床电气控制.清华大学出版社.2010.45设计成果形式及要求：提供设计说明书一份，要求内容与设计过程相符，且格式要符合规定要求。6工作计划及进度：2014年1月4日 资料查阅阶段2014年1月5日 1月9日 分析、设计、绘图2014年1月10日 答辩 系主任审查意见： 签字： 年 月 日中北大学信息商务学院课 程 设 计 说

5、 明 书学生姓名： 于畅 学 号： 10020143X06 系： 机械自动化系 专 业： 机械设计制造及其自动化 题 目： 数控技术课程设计 基于PLC的数控车床回转刀库 控制系统设计 指导教师： 彭彬彬 职称: 副教授 董磊 职称: 讲师 2014年1月9日目录1.基本设计参数32.纵向进给传动链的设计计算52.1主切削力及其切削分力计算52.2坐标轴导轨摩擦力计算62.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力62.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算62.5确定进给传动链的传动比i和传动级数63.驱动电动机的选型与计算83.1计算折算到电动机轴上的负载力矩103.2计算折算到电动机轴上的加速力矩83.

6、3计算横向进给系统所需的则算到电动机轴上的各种力矩93.4计算折算到电动机轴上的负载惯量103.5选择电动机的型号114.PLC控制系统T型图125.PLC指令程序表136.电路接线图和电器件清单167.主要参考文献178.课程设计总结171.基本设计参数1.1原始数据机床主电动机的额定功率为7.5kw，最大工件直径D=100mm，主轴计算转速n=85r/min1.2 其他参数最大加工直径：床面上:400mm;床鞍上：210mm。最大加工长度：1000mm。纵向行程500mm;横向行程200mm。快速进给速度：纵向，2400mm/min;横向，1200mm/min。最大切削进给速度：纵向，50

7、0mm/min；横向，250mm/min溜板及刀架质量：纵向，81.63kg；横向，61.22kg。定位精度：0.04mm/全行程。重复定位精度：0.016mm/全行程。程序输入方式：增量值、绝对值通用。控制坐标数：2。脉冲当量：纵向，0.01mm/脉冲；横向，0.005mm/脉冲。2.纵向进给传动链的设计和计算 2.1主切削力及其切削分力计算不同的切削方式，其主切削力的计算方法不尽相同。对于某种切削方式来说，主切削力的计算方法有有多种，根据经验公式计算、根据切削用量计算和根据主电动机切削功率计算等。本设计根据机床主电动机切削功率计算主切削力F。 （1）计算主切削力F 已知机床主电动机的额定功

8、率为7.5kw，最大工件直径D=100mm，主轴计算转速n=85r/min。根据公式得刀具的切削速度为 取机床的机械效率为：，则由式（2-6）得： （2）计算各切削分力 车削抗力和可以按下列比例分别求出：=1：0.25：0.4 （2-4）所以走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的分力可由式（2-4）求出 2.2坐标轴导轨摩擦力得计算 在切削状态下坐标轴导轨摩擦力的计算可以查课程设计指导书： （1）由于坐标轴导轨水平的，根据式（2-8a）计算在切削状态下的导轨摩擦力。此时导轨受到的垂直方向切削力，纵向切削力，移动部件的全部质量（包括机床夹具和工件的质量）m=81.63kg，移动部件全部重量W=800

9、N，查表2-3得镶条紧固力，对于贴塑导轨，取导轨摩擦系数，则 （2）按式（2-9a）计算在不切削状态下的导轨摩擦力和 2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 滚珠丝杠螺母副的最小轴向负载力发生在机床空载运行时。此时，最小轴向负载力可以计算如下： （1）按式（2-10a）计算最大轴向负载力 （2）按式（2-11a）计算最小轴向负载力 2.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算在进行滚珠丝杠初选时，必须了解各种切削方式下轴向负载力、进给速度的大小以及各种转度的时间占总时间得百分比，目的是计算当量转速和当量载荷的大小。 1）按机床预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷 已知数控车床的预期工作时间，滚珠丝杠

10、的当量荷载，查表2-28得，载荷系数；查表2-29，初步选择滚珠丝杠的精度等级为3级精度，取精度系数；查表2-30得，可靠性系数。取滚珠丝杠的当量转速（该转速为最大切削进给速度时的转速），已知，滚珠丝杠的基本导程，则 由式（2-19）得 2）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径（1）根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形 已知本车床纵向进给系统的定位精度为，重复定位精度为，则由式（2-23）、（2-24）得： 取上述计算结果的较小值，即。（2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用一端固定、一端游动支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承

11、之间的距离为 取 由式（2-25）得 3）初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 根据以上计算所得的和结构的需要，初步选择南京工艺装备公司生产的FFZL型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副，型号为FFZL3206-3，其公称直径、基本导程、额定动载荷和螺纹底径如下： 故满足要求。2.5确定进给传动链的传动比i和传动级数 根据步进电动机得脉冲当量可初步选定步进电动机，应该选用反应式步进电动机，步距角小，运行频率高，价格较低，但功耗较大。根据附表A-5可初步选定。 取步进电机的步距角，滚珠丝杠基本导程，进给传动链的脉冲当量，则由式（2-69）得 按最小惯量条件，从图2-42和图2-43中查得该减速器应采

12、用2级传动，传动比可以分别取为。根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为，模数m=2，齿宽b=20mm。3.驱动电动机的选型与计算 3.1计算折算到电动机轴上的负载力矩 （1）计算则算到电动机轴上的切削负载力矩 已知在切削状态下的轴向负载力，丝杠每转一圈，机床执行部件轴向移动的距离，进给传动系统的传动比，进给传动系统的总效率，则由式（2-54）得 （2）计算则算到电动机轴上的摩擦负载力矩 已知在不切削状态下的轴向负载力（即空载时的导轨摩擦力），则由式（2-55）得 （3）计算由滚珠丝杠预紧力产生的并则算到电动机轴上的附加负载力矩 已知滚珠丝杠螺母副的效率，滚珠丝杠螺母副的预紧力为 则由式（2-

13、56）得 （4）则算到电动机轴上的负载力矩的计算 空载（快进力矩）时，由式（2-57a）得 切削（工进力矩）时，由式（2-57b）得 3.2计算则算到电动机轴上的加速力矩根据以上计算结果和表A-5，初选110BF003型反应式步进电机，其转动惯量；而进给传动系统的负载惯量；对开环系统，一般取加速时间。当机床执行部件以最快速度运动时的最高转速为 由式（2-59）得 3.3计算横向进给系统所需的则算到电动机轴上的各种力矩 （1）按式（2-61）计算空载启动力矩 （2）按式计算快进力矩 （3）按式计算工进力矩 3.4计算折算到电动机轴上的负载惯量 各坐标轴上的负载惯量有两部分组成：一部分是做回转运动

14、的传动件的转动惯量折算到电动机轴上的负载惯量，另一部分是作直线运动的移动部件折算到电动机轴上的负载惯量。 （1）计算滚珠丝杠的转动惯量 已知滚珠丝杠的密度，则由式（2-63）得 （2）计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量 已知机床横向进给系统执行部件（即横向溜板及刀架）的总重量；丝杠轴每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离，则由式（2-65）得 （3）计算各齿轮的转动惯量 （4）由式（2-66）计算加在电动机轴上总负载转动惯量 3.5选择电动机的型号 （1）选择驱动电动机型号 根据以上计算结果和表A-5，选择国产110BF003型反应式步进电机为驱动电机，其主要技术参数如下：相数，3；歩角数

15、，；最大静转矩，；转动惯量，；最高空载启动频率，1500Hz；运行频率，7000Hz；分配方式，三相六拍；质量，6kg。 （2）确定最大静转矩 由表2-48给出的机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电机的最大静转矩的关系可得 取和中的较大者为所需的步进电机最大静转矩，即 本电动机的最大静转矩为，大于，可以在规定时间里正常启动，故满足要求。 （3）验算惯量匹配 为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电机的转动惯量之比一般应满足式（2-67），即 因为，故满足惯量匹配要求。4. PLC控制系统T型图控制程序T型图5.PLC指令程序表0 LD X0001 ANI M12 AN

16、I M23 ANI M34 ANI M45 ANI M56 OUT M107 LD M208 ANI X0109 ANI C010 ANI C111 SFTR M10 M0 K6 K120 LD M521 OR M022 OR M123 OUT M10024 LD M125 OR M226 OR M327 OUT M10128 LD M329 OR M430 OR M531 OUT M10232 LD X00433 AND M10034 OR M10135 OUT Y10036 LD X00437 AND M10138 LDI X00439 AND M10040 ORB41 OUT Y0014

17、2 LD M10243 OUT Y00244 LDI T045 OUT T0 K1048 LDI T149 OUT T1 K552 LDI T253 OUT T2 K256 LD X00557 PLS M1159 LD X00560 AND T061 LD X00262 AND T163 ORB64 LD X00365 AND T266 ORB67 OR M1168 OUT M2069 LDI X00670 RST C072 LD X00673 AND M2074 OUT C0 K1077 LDI X00778 RST C180 LD X00781 AND M2082 OUT C1 K10085 END6.电路接线图和电器件清单主要元器件型号明细表 文字符号名称型号SB0启动按钮LA8-1(绿色)SB1、SB2和SB3变速按钮LA8-1(绿色)SB4正反转按钮LA8-1(绿色)SB5、SB6和SB7步数控制按钮LA8-1(绿色)SB8暂停按钮LA8-1(红色)FU电动机熔断器RC1A型PLC可编程控制器FX2N-32MR型M三相反应式步进电机110