BXO密封槽数控机床设计资料

1、铜陵学院毕业设计目录摘要Abstract第1章绪论- 1 -1.1 密封槽数控机床应用场合- 1 -1.2密封槽数控机床组成与分类- 1 -1.3设计的主要任务- 1 -第2章 BXO密封槽数控机床设计总体概述- 2 -2.1 设计总体要求- 2 -2.2 主要设计参数- 2 -2.3 总体方案设计- 2 -第3章 机械模块设计- 4 -3.1 密封槽数控机床结构设计- 4 -3.2 传动丝杠参数设计- 5 -3.3 传动丝杠性能校核- 7 -3.4 机床转臂设计- 9 -第4章 驱动模块设计- 10 -4.1 主运动驱动模块设计- 10 -4.2 进给运动驱动模块设计- 12 -第5章 控制

2、模块设计- 16 -5.1 控制系统功能及结构设计- 16 -5.2 控制方案设计- 17 -5.3 控制电路设计- 20 -5.4 手提操作盒设计- 22 -总结 .- 24-参考文献-25-致谢-26-插图清单图2-1 机床系统构成.-3-图3-1 传动系统结构简图.-4-图4-1 机床液压系统原理图.-11-图5-1 控制系统结构图.-16-图5-2 控制系统组成.-19-图5-3 控制系统流程图.-19-图5-4 液压马达驱动电机的控制电路图.-20-图5-5 液压电磁阀控制电路图.-21-图5-6 PLC控制简图.-22-图5-7 手提操作盒外观图.-23-表格清单表4-1 液压系统

3、主要元件明细表.-11-表4-2 液压阀动作组合.-12-表4-3 步进电机的电气技术参数.-14-表4-4 机械系统空载启动力矩与所需步进电机最大静力矩关系.-14-表5-1 FX2N-32MT的基本参数.-17-The design of CNC machine tool BXO seal grooveAbstractCNC machine is a typical mechatronic products, it not only improves the machining precision and efficiency, but also enhances the reliabil

4、ity and flexibility of equipment. Aiming at the groove off-line repair brings a series of problems of the sealing flange of large pressure vessel, we design a special online repair of CNC machine tools, CNC machine tools is the sealing groove.The main movement, type FX2N-32MT PLC with a special func

5、tion modules of FX2N-20GM as the whole machine hub effectively control of machine tool feed motion of the tool and the workpiece, and other auxiliary devices strictly in accordance with the order, route and parameters of NC program of machining under repair, sealing groove to achieve efficient, accu

6、rate, fast, thus to improve the economic benefits of production system, production efficiency and enterprise.The development and competition of society economy and the science and technology to promote electronic, automation, computer, precision machinery, measurement and artificial intelligence tec

7、hnology closely, the mechatronics technology more mature, believe that the product will be further development and evolution, in order to adapt to the needs of social production.Keyword: NC machine tool； FX2N-32MT；FX2N-20GM； Sealing groove第1章 绪论1.1 密封槽数控机床应用场合 密封槽数控机床是在石油、制药、冶金、化工等相关行业，用于现场修复加工大型压力容

8、器法兰端面受损密封槽，恢复其形状、位置精度的专用设备。随着石油等行业的发展，大型压力容器得到广泛应用，这些容器都安装用来对接其他装备的法兰，法兰上密封槽的损伤将严重影响容器的安全使用，因此，必须严格确保压力容器法兰上密封槽的密封性能。目前，法兰接口上密封槽出现损坏等问题时，我国修复受损密封槽所采取的基本方法是离线修复，大型容器被返运回生产厂家，用大型普通机床进行修复加工，这一过程不仅增加了运输成本而且降低了生产效率，使厂家蒙受巨大的经济损失。另外，用普通专用镗床或其他机床对法兰面密封槽修复时，若工件需多次装夹，则会引起设计基准和定位基准不重合，而且，安装误差会影响加工精度、加工效率大大降低等。

9、为了节约成本，减少经济损失及提高加工效率和加工精度，我们设计出一台密封槽数控机床，专门对大型压力容器法兰面受损密封槽进行在线修复。1.2 密封槽数控机床组成与分类密封槽数控机床控制模块主要由FX2N-32MT型PLC与一个特殊功能模块FX2N-20GM组成，两者用FROM/TO指令经扩展总线电缆进行数据交换。可编程序控制器FX2N-32MT为基本控制与管理系统，FX2N-20GM控制步进电机精准运转以及各种插补运动。驱动模块由液压系统驱动的主运动模块和两步进电机驱动的进给运动模块两部分组成，液压马达驱动转臂绕法兰轴线旋转，步进电机1驱动刀架作平行法兰端面的X方向进给运动，步进电机2驱动刀具作平

10、行法兰轴线的Z方向进给运动。机械模块作为整台机床的骨骼，支撑系统运转实现产品的构造功能。根据机床的不同安装形式，该密封槽数控机床分为内卡式和外卡式两种结构形式，以实现对不同直径的法兰端面密封槽修复加工。对于内孔径大于350mm的法兰，采用内卡式安装，对于内孔径小于350mm的法兰，采用外卡式安装。两者系统构成相同，只是机床安装方式有所区别。1.3 设计的主要任务本论文的主要任务式设计出一台针对大型压力容器法兰面密封槽进行在线修的专用数控机床，讨论其机械模块中传动系统的设计，丝杠相关参数计算与设计；驱动模块中液压系统设计及液压元器件的选择，步进电机相关参数的计算和选用；控制模块中控制器的选择、控

11、制方案的制定、控制电路的设计等。第二章 BXO密封槽数控机床设计总体概述2.1 设计总体要求对密封槽数控机床设计的要求如下：1）质量轻、体积小、移动方便，容易实现在线修复法兰端面密封槽；2）在线修复机床装夹简单可靠、找正方便、操作简单、使用安全；3）具有一定强度和刚度，加工精度高，满足法兰密封槽的加工技术要求，密封槽表面粗糙度应为3.2，法兰端面与其轴线相互垂直，偏差不大于30；4）满足法兰端面直径6001250mm，孔径6001100mm的密封面加工，包括直槽、双15°、双20°、双23°、双25°、双30°及双49°梯形槽密封形式

12、，梯形槽角度误差满足±30。2.2 主要设计参数机床总容量：8KW；刀架移动步进电机：>2.5N·m；卡刀体移动步进电机：>2.5N·m；端面移动脉冲当量：0.002mm；直槽移动脉冲当量：0.002mm；端面移动进给速度：048mm/min（无级）；直槽移动进给速度：090mm/min（无级）；斜向移动进给速度：072mm/min（无级）；控制坐标数：2。内卡式机床：法兰密封槽端面直径范围：6001250mm；接管法兰内孔直径范围：6001100mm；接管法兰密封槽最大深度：50mm；法兰密封槽形状：直槽、双15°、双20°、双2

13、3°、双25°、双30°、及双49°梯形槽。2.3 总体方案设计密封槽数控机床作为一种专用的在线修复加工设备，其总体方案的设计应该综合考虑机械模块、驱动模块、控制模块、传感器模块、检测模块等的选用和布局。合理安排机床的总体布局，是本设计不可或缺的部分，其主要内容有：确定机床的结构形式，确定机床主要零部件及其相互位置关系等。由于压力容器体积大，重量大，基本上无法移动的特点，设计机床需要安装在压力容器的接管法兰上。因为机床加工半径较大，主轴承受的扭矩较大，而对转速并无太高要求，故采用液压马达作为主驱动，与机床旋转部分采用直连方式。可以实现无极调速，避免设计变

14、速装置带来的困难，造成机床变速装置复杂、体积过大等缺点。主运动依靠悬臂绕轴旋转实现，刀架可在转臂上自由移动，分别用两个步进电机来控制刀具在X、Z方向进给运动，完成对密封槽的加工修复。内卡式机床系统由机床本体、控制柜、液压站、手持操作盒和附件五个部分组成，如图2-1所示。液压站控制柜步进电机1丝杠1步进电机2丝杠2手提操作盒附件马达法兰孔图2-1 机床系统构成本专用机床的主要传动结构由以下几个部分组成：（1）转臂旋转传动装置转臂旋转运动作为主运动由液压马达经减速器间接驱动。通过控制盒对液压系统节流阀进行调节，进而可以控制机床转臂的转速。（2）刀架移动装置转臂上刀架沿着导轨的水平移动是X方向进给运

15、动，由步进电机1经传动系统、丝杠1来驱动。可以通过手提式操纵盒上按键驱动步进电机1，进而控制刀架的移动速度、进给量、正反方向运动、点动等。（3）卡刀体移动装置转臂上卡刀体平行法兰轴线的竖直移动是Z方向进给运动，由步进电机2经传动系统、丝杠2来驱动。可以通过手提式操纵盒上按键驱动步进电机2，进而控制卡刀体的移动速度、进给量、正反方向运动、点动等。（4）双23°梯形槽运动装置双23°梯形槽斜面运动是通过同时启动步进电机1、步进电机2实现的，并且两台步进电机的脉冲频率符合23°要求的比例关系，由运动合成实现斜面运动。第3章 机械模块设计3.1 密封槽数控机床结构设计传动

16、系统是一台机床的重要组成部分，其作用是将电机产生动力传递给机床的执行机构，是使电机输出的转速和转矩与负载的相互匹配，从而实现预定功能的中间环节8。机床传动系统一般包括主传动系统和进给传动系统，所设计机床有三个主要运动，由三个驱动元件进行驱动，主运动即主轴旋转由液压马达驱动，两个方向的进给运动由两台步进电机驱动。传动系统结构简图如图3-1所示。 图3-1 传动系统结构简图1-刀架；2、8-电机；3、16-滚珠螺母丝杠；4-联轴器；5、9-螺钉；6-炭刷滑环总成；7-减速器10-转盘；11-轴承；12-液压马达；13-卡盘；14-胀紧螺钉；15-转臂图3-1是修复法兰密封槽加工装置的结构图，该装置

17、胀紧所加工法兰孔中或法兰外壁，液压马达驱动转臂进行旋转（主运动），转臂上安装有十字滑台拖动刀架，使刀具向X、Z两方向运动，两运动各由一台步进电机驱动。X、Z坐标的联动形成法兰密封槽接触表面。该结构的基本组成有：液压马达12与卡盘13固定连接，卡盘13通过胀紧螺钉14固定在所加工的法兰孔中，液压马达12的输出端连接着转盘10，转盘由滚动轴承11定位于卡盘13的孔中，转臂15通过螺钉9连接在转盘10上，从而形成主运动传动系统。在转臂上安装有联动运动数字控制系统，步进电机2带动丝杠16旋转，驱动刀具进行平行法兰轴线的Z方向进给运动；步进电机8经减速器7带动丝杠3旋转，驱动刀具进行平行法兰面的X方向进

18、给运动。这两台数字控制电机的控制总线将由炭刷滑环总成6引出。这种结构形式简单，使用安全可靠，两台数字控制电机选用步进电机，而且采用较低供电电压。平行法兰轴线进给传动链和平行法兰端面进给传动链均采用丝杠传递位移和力的传动方式，Z方向进给装置的吃刀量和X方向进给装置的径向位移量决定了丝杠的结构参数，两者对于丝杠参数的设计原理相同，所以丝杠结构参数的确定是此设计部分的关键。3.2 传动丝杠参数设计3.2.1 滚珠螺母丝杠的动载荷计算进给传动系统的轴向负载实质即为滚珠丝杠螺母副所受的轴向力。它主要由两部分组成：一部分是主切削力在该方向上的分力，另一部分是各轴导轨所受的摩擦力1。1、切削力的计算对于不同

19、切削方式，计算主切削力有不同的方法，比如根据电机切削功率计算、根据切削用量计算、根据经验公式计算等。本设计主要根据主电机切削功率计算主切削力。已知液压站电机额定功率5.5KW，转速为90r/min，加工最大接管法兰密封槽直径为1000mm,在此条件下，刀具的切削速度计算： （3-1）取机床主传动系统的传动效率=0.8，液压马达工作效率为=0.7，则机床的主切削力计算1： （3-2）走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力4计算：=0.25=0.25×653.93=163.48N （3-3）=0.4=0.4×653.93=261.57N （3-4）2、导轨摩擦力的计算即计算

20、导轨在切削状态下所受摩擦力。由分析知，导轨受到垂直方向切削分力=653.93N,横向切削分力=163.48N,移动构件的全部质量为20kg，换算成重力约为196N，通过查表【1】知镶条坚固力=75N，取导轨滑动摩擦系数=0.15，则导轨摩擦力为1： (3-5) 导轨在不切削状态下所受摩擦力和计算： (3-6)3、滚珠螺母丝杠螺母传动副的轴向负载计算最小轴向负载计算=40.65N最大轴向负载计算=+=261.57+163.26=424.83N (3-7)4、确定进给传动链的传动比及传动级数由受力分析再从稳定性及刚性角度出发，选取螺母丝杠基本导程=5mm，并取步进电机的步距角，端面移动脉冲当量为m

21、m/脉冲4，则传动比为： (3-8)查阅相关手册3，选用XB2-50型减速器。5、滚珠螺母丝杠动载荷计算已知该机床的预期工作时间=20000h，螺母丝杠的当量载荷=424.83N，经查表知载荷系数；初步选择滚珠螺母丝杠精度等级为2级，选取精度等级系数；经查表知4，其可靠性系数，取螺母丝杠的当量转速=即为最大切削进给速度时的转速，而由设计参数可得，最大切削进给速度为=100mm/min，则当量转速为：r/min （3-9）额定动载荷的计算1：N （3-10）3.2.2 滚珠螺母丝杠参数计算3.2.2.1 丝杠最小螺纹底径计算所设计数控机床进给系统的定位精度为20m,重复定位精度为8m，因此可估算

22、出允许螺母丝杠的轴向最大变形1： （3-11） （3-12）取上述计算结果中较小的数值，即因所加工法兰直径为变量，为实现这种变直径法兰密封槽的修复加工，端面进给移动位移，为最大法兰加工半径，为最小法兰加工半径，同时兼顾到安装维修方便，端面进给留有一定的位移余量，取=50mm,因此取横向工作长度取=350mm。 滚珠螺母丝杠的最小螺纹底径计算1： （3-13）3.2.2.2丝杠其他参数计算由以上计算所得到的相关参数以及结构需要，选取丝杠外径D=23mm，旋合圈数Z=10，其他参数计算如下：螺纹工作高度=0.5P=0.5=2.5；螺母高度H=Z·P=50mm；螺杆中径；螺杆小径；驱动转矩

23、T=5000N·mm；当量摩擦角： （3-14）螺纹导程角： （3-15）其中，为螺母高度系数，为螺母导程。3.3 传动丝杠性能校核3.3.1 滚珠螺母丝杠承载能力校核3.3.1.1 滚珠螺母丝杠临界压缩载荷校核经计算确定螺母丝杠的螺纹小径，又已知滚珠螺母丝杠的最大受压长度，螺母丝杠水平安装，取，经查表知1，则丝杠临界压缩载荷计算： （3-16）由前面计算得到的螺母丝杠的最大轴向负载力为424.83N,其值远远小于临界压缩载荷的值，即所设计满足实际要求。2.3.1.2滚珠螺母丝杠临界转速校核已知丝杠弹性模量，密度，重力加速度，所设计螺母丝杠传动副临界转速计算长度。则有滚珠螺母丝杠最小

24、惯性矩为1： （3-17）滚珠螺母丝杠最小截面积为1： （3-18）取，查表可得1： ，将上述参数代入公式可得： （3-19） 而要求数控机床丝杠副最高转速20r/min，数值远小于临界转速，故满足设计要求。3.3.1.3滚珠螺母丝杠额定寿命校核通过前面计算已知滚珠丝杠额定动载荷，轴向动载荷，滚珠丝杠副最高转速为20r/min，运转条件系数，则有 （3-20） （3-21）由上述计算可知，所设计数控机床螺母丝杠额定寿命恰与设计寿命相等即为20000h，故满足设计要求。3.3.2 滚珠螺母丝杠刚度校核丝杠的拉压刚度计算： （3-22）式（3-22）中，螺母丝杠螺母中心到固定端支承中心的距离为=2

25、80mm，此时可计算出滚珠螺母丝杠最小拉压刚度。式（3-22）中，螺母丝杠螺母中心到固定端支承中心的距离为=130mm，此时可计算出滚珠螺母丝杠最大拉压刚度。由上述计算知，显然所设计机床刚度满足使用要求。3.3.3 滚珠螺母丝杠强度校核螺母丝杆所受纯扭矩计算1： （3-23）式（3-23）中，为抗扭截面模量，许用扭矩切应力，即，故满足强度要求。3.3.4 滚珠螺母丝杠稳定性校核丝杠实际工作长度 （3-24）长径比 （3-25）临界载荷 （3-26），故满足稳定性要求。式（3-26）中，螺杆小径； L螺杆最大工作长度； I螺杆截面惯性矩； E螺杆材料弹性模量。长度系数；3.4 机床转臂设计 转臂

26、是机床的重要组成部分，除液压马达何其连接的固定盘外，其他安装在法兰上的构件均为传动部分，其主体为转臂，它是整个旋转部分的承载体，机床主要零部件都安装在转臂上并随之一起转动，转臂毛坯选择铸造形式，材料为HT300，为了增加强度和稳定性，转臂铸料有加强肋板，因为整个转臂旋转时，机床总重量不平衡，致使机床运转不平稳，影响加工质量，故设计时要考虑到机床的动平衡问题。机床运转时，转臂绕法兰轴线转动，同时刀架沿着转臂水平移动，产生了动不平衡问题。为了解决此问题，本设计采用配重方法消除其影响。第4章 驱动模块设计 所设计数控机床通过卡盘上胀紧螺钉固定在法兰上，考虑不可能有很强的稳定性，其吃刀量、走刀速度、切

27、削宽度不宜过大，机床体积较小、重量轻。驱动模块作如下设计：1.主运动。刀架绕法兰轴线转动，要求机床驱动件、传动链尺寸小，传动力大，走刀速度可调节。选用液压马达进行驱动。2.X方向进给运动。对法兰端面进行修复时，可由步进电机1驱动刀架沿法兰面径向进给运动。3.Z方向进给运动。切直槽时，可由步进电机2驱动刀具沿法兰轴方向进给运动。4.双23°梯形槽斜面进给运动。由刀具沿X方向的径向运动和沿Z方向的轴向运动合成实现，即同时启动两台步进电机联合驱动。4.1 主运动驱动模块设计4.1.1 密封槽数控机床液压驱动原理密封槽数控机床主运动是绕被加工法兰孔轴线的转动，用液压马达来驱动，马达输出轴连接

28、着转盘，转盘又通过螺钉固连转臂，形成主运动回转系统。其优点有结构简单、可靠、紧凑，避免复杂的传动系统带来的体积较大等缺点。密封槽数控机床液压原理如图3-1所示，其基本回路由电机、液压泵、液压马达、三位四通电磁换向阀、两位两通电磁阀、节流阀、溢流阀、软油管等组成。可通过三位四通电磁换向阀进行液压马达的起停控制，通过溢流阀进行背压控制，通过节流阀进行流量调节控制。要求机床主运动即转臂旋转速度在：1075r/min,为了保证安全，在紧急状况下可使机床停机，在安装机床时要求转臂卡死，避免转臂转动伤人，在调试刀具位置时，又能使转臂松动，操作人员能够转动转臂调试。因此设置液压马达的启停控制、流量调节控制、

29、背压控制，而且设有管路回油功能。在液压马达两端并联一个两位四通电磁阀形成一个可以进行松臂控制的回路，此回路又通过一个两位四通电磁阀与油箱相连，使得软油管中的油流回油箱，实现管路回油功能。在基本回路中又连接一个溢流阀，可对整个液压系统进行压力调节。系统辅助装置设置了压力表、滤油器。在每次启动液压泵电机时，先关闭节流阀，打开溢流阀。转臂开关转到旋转位，调节溢流阀，使压力表指针指向6MPa左右。调节节流阀使转臂旋转，让转臂旋转速度调节到加工所需转速。机床工作时，转臂旋转速度由节流阀调定，走刀速度由步进电机脉冲频率设定，每一转的走刀量必须由操作人员观察转臂实际转速，再通过换算来设定步进电机的脉冲频率。

30、 图4-1 机床液压系统原理图4.1.2 主要液压元件的选择与动作所设计机床液压元件间连接方式采用集成块式，这样便于设计、制造、维修。所选主要液压元件见表4-111。在一次完整动作循环中，电磁铁动作组合见表4-211。序号名称型号性能参数备注1液压泵CBF-E1815MPa 25l/min2液压马达ZQM2Z-0.6316MPa 169r/min3电机90889JB/T1039120024两位四通阀24D0-B10H-T30l/min5三位四通阀34DM-B10H-T6节流阀LF-L5-107单向阀DF-b10K-22135MPa108溢流阀YF-B10H表4-1 液压系统主要元件明细表电磁阀

31、转臂旋转切转臂锁定转臂手动旋转软油管放油1zt-+2zt-+3zt+-表4-2 液压阀动作组合注：“+”表示电磁阀通电；“-”表示电磁阀断电。液压系统工作原理：当三个电磁阀均未通电时，转臂锁紧。当松臂控制的两位四通电磁阀通电时，可手动控制转臂，这时油路为：管道中油液软油管液压马达软油管两位两通电磁阀液压马达。当只有三位四通电磁阀通电时，转臂旋转切削，这时的油路为：液压泵三位四通电磁阀软油管液压马达软油管节流阀溢流阀三位四通阀油箱。当两个两位四通电磁阀均通电时，软油管放油，这时油路为：管道中油液软油管液压马达软油管松臂控制两位两通电磁阀放油控制两位四通电磁阀油箱。4.2 进给运动驱动模块设计密封

32、槽数控数控机床进给传动系统采用两坐标分离传动方式，转臂上安装有两坐标联合运动的数字控制进给系统，如图3-1步进电机8经减速器带动螺母丝杠旋转，使刀具进行X方向进给运动；步进电机2直接驱动丝杠转动，使刀具作Z方向进给运动。要求电机运行平稳、结构简单紧凑、运动精度高等性能。4.2.1 步进电机的选择4.2.1.1计算折算到步进电机轴上的负载惯量滚珠螺母丝杠的转动惯量计算1：（4-1） 式（4-1）中：丝杠密度，；D丝杠不同轴径段直径；L相应周末径对应轴长度，单位cm；法兰端面进给驱动丝杠转动惯量；平行法兰轴线进给驱动丝杠转动惯量。折算到丝杠轴上移动部件的转动惯量的计算1： （4-2）式（4-2）中

33、：、刀架体和刀具夹头质量； 、两丝杠导程。由上述计算所得结果，则折算到两步进电机轴上的负载惯量1： （4-3）4.2.1.2计算折算到步进电机轴上的负载转矩前面计算可知切削状态下轴向负载力=424.83N，丝杠转一周，机床执行构件轴向移动距离、分别为5mm和3mm,进给系统传动比分别为25和1，进给传动系统的总效率为0.85，可得1： （4-4）折算到步进电机轴上的摩擦负载转矩计算：在不切削状态下轴向负载力即空载时导轨摩擦力=40.65N，则有：由丝杠预紧力产生的并折算到步进电机轴上的附加负载转矩计算：根据预紧力经验公式1得=424.83×1/3=141.61N，取滚珠螺母丝杠螺母传

34、动效率为0.94。则其转矩为： （4-5）根据上述计算结果，则折算到步进电机轴上的负载转矩：空载时， （4-6） 切削时， 根据所得数据，结合步进电机实际使用情况，选择三相混合式步进电机，其型号为86BYG250A,用于平行法兰轴线的进给丝杠的驱动；86BYG250B，用于法兰端面进给丝杠的驱动。电气技术参数如表3-3，其技术参数如下3。环境温度：-25+40；绝缘电阻：500V DC 100M Min；轴向间隙：0.10.3mm；径向跳动：0.025Max；温升：85 Max；绝缘强度：B；保持转矩：5.0N·m；定位转矩：0.2N·m；配套驱动器分别为：SH-2H090

35、M、SH-2H090MH。表4-3 步进电机电气技术参数电机型号相数步距角相电流驱动电压最大静转矩相电阻转动惯量重量空载启动频率/转速86BYG250A21.8°5.0AAC40V1.2N·m0.30.64 kg·1.53kg4.8kHz288r/min86BYG250B21.8°5.0AAC40V/60V2.4N·m0.51.3 kg·2.55kg4.6kHz276r/min4.2.2 步进电机性能校核4.2.2.1 折算到步进电机轴上的加速转矩由表4-3所列步进电机相关参数和上述计算结果，对于开环系统，一般取加速时间=0.5s，机

36、床以最快速度运时，电机最高转速为=90r/min，可得： （4-7）式（4-7）中：、步进电机转动惯量； 、法兰端面进给传动链和平行法兰轴线进给传动链传动比。4.2.2.2 折算到步进电机轴上的空载启动转矩 （4-8） （4-9）4.2.2.3 最大静转矩计算由表4-4所给机械传动系统空载启动转矩与所需步进电机最大静转矩的关系。可得，计算可得：；。步进电机相数3456运行拍数3648510612/0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866表4-4 机械系统空载启动力矩与所需步进电机最大静力矩关系8根据机械传动系统切削加工时的转矩与所需步进电机最大静转矩的关系可

37、知：，由此可得：；。比较计算结果，取其中较大值，则,即两者均小于所选步进电机最大静转矩，固本电机可在规定条件下完成正常启动，满足工作要求。第5章 控制模块设计5.1 控制系统功能及结构设计5.1.1 控制系统基本功能1. 液压系统控制：通过控制液压马达的正反旋转、电磁阀的通断电，进而实现机床转臂主运动。2. 步进电机控制：通过控制器直接控制两台步进电机正反旋转，从而实现刀具进给运动。3. 进给运动操作及状态显示控制：通过手提式远程操作显示盒设定进给量、走到速度、启停控制以及显示进给运动状态。5.1.2 控制系统结构设计 密封槽数控机床控制结构图如图5-1所示，其中，电柜控制及显示面板、控制器、

38、继电器接触器组、驱动器1、驱动器2组成电柜，液压台、机床、手提式远程操作盒各为一体，液压台、机床之间通过20m双端拆卸软油管连接，其余部件用电缆连接。组成部分有：1. 液压控制系统：通过远程操作显示盒并行控制和用电柜控制及显示面板直接控制。2. 步进电机控制：用控制器经步进电机驱动器分别控制步进电机1、2、3. 进给运动操作及状态显示：用手提式远程操作显示盒设定进给量、走刀速度、进给启停控制以及进给运动状态显示。电柜控制及显示面板控制器继电器接触器组机床步进电机驱动器1步进电机驱动器2手提远程操作显示盒液压台软油管液压马达碳刷滑环总成图 5-1 控制系统结构图5.2 控制方案设计5.2.1 控

39、制器的选择密封槽数控机床控制系统控制器选择可编程控制器即PLC，所设计机床控制所需I/O点数并不多且是简单的数字逻辑量输入输出，没有现场总线控制要求，因此选用小型的PLC为控制系统基本上就能满足现场控制要求。所选PLC系统除了顺序动作控制外还必须具备连接位置控制模块的功能。FX系列PLC的基本控制单元为了适应不同情况下的使用要求，有16、32、48、64、80、128点I/O几种规格。实际设计中为了保证I/O点数在使用基础上有一定备用量，我们最终选用FX2N-32MT型PLC，其技术参数见表5-15。表5-1 FX2N-32MT的基本参数CPU性能输入量16路输出量16路运算方式存储程序，反复

40、运算输入输出方式批处理，输入输出指令运算处理速度基本指令0.08m/指令应用指令1.52数百m/指令程序语言逻辑梯形图和指令表，可以用步进梯形指令来生成顺序控制指令程序容量内置8000步EEPROM，适用附加存储器盒可扩展到1600步I/O设置硬件配置最多256点，与用户选择有关，软件可设输入输出各256点指令数基本指令、步进指令基本（顺序）指令26条，进步指令2条应用指令128条辅助继电器通用继电器500点，M0-M499锁存继电器2471点，M500-M3072特殊继电器256点，M8000-M8255状态继电器初始化状态继电器10点，S0-S9通用状态继电器490点，S10-S499锁存

41、状态继电器400点，S500-S899信号报警器100点，S900-S999定时器100ms定时器200点，T0-T19910ms定时器46点，T200-T1991ms积算定时器4点，T246-T249100ms积算定时器6点，T250-T255计数器16位通用加计数器16位100点，C0-C9916位锁存加计数器16位100点,C100-C19932位通用加减计数器32位20点，C200-C21932位锁存加减计数器32位15点，C220-C234高数计数器1相无启动复位输入6点，C235-C2401相带启动复位输入5点，C241-C2452相双向高数计数器5点，C246-C250A/B相高

42、数计数器5点，C251-C255数据寄存器通用数据寄存器16位200点，D0-D199锁存数据寄存器16位200点，D0-D199文件寄存器7000点，D1000-D7999特殊寄存器16位256点，D8000-D8255变址寄存器16位16点，V0-V7，Z0-Z7跳步指针跳步和子程序调用128点，P0-P127输入特性输入电压DC 24V原件号DC 24V输入电流X0-X7其他输入点输入时间DC 25V,8mADC 25V,6mA可调输入时间X0-X8为0-65ms输出特性外部电源DC 5-30V最大负载电阻负载0.5A/1点，0.8A/COM感性负载12W，DC 24V灯负载1.5W，D

43、C 24V响应时间0.3ms；5s（仅Y0、Y1）断路漏电流0.2mA/DC 30V电路隔离光耦合隔离器5.2.2 位置控制模块选择为了能有效地控制机械运动，也为了通讯连接及系统组建方便，与PLC连接的位置控制模块最终选用FX-20GM型。FX-20GM是可实现双轴独立插补或独立运动的双轴独立控制模块5。本机床两步进电机需要进行直线和圆弧插补，因此选择FX-20GM作为位置控制模块。FX-20GM单轴最大输出频率可达200kHz，两轴插补最大输出频率可达100kHz。该控制系统采用两轴脉冲输出模块分别控制X、Z轴的进给。针对加工运动控制特点，该模块具有比较完善的运动轨迹设定功能，可通过*、!、

44、+等指令可设定各种轨迹参数。FX-20GM还备有常用输入控制，如正向、反向限位开关、7/.、8.（近点信号）等。5.2.3控制系统组成及流程由修复法兰机械加工装置的工艺控制要求，组成如图5-2所示控制系统。该控制系统包括控制器、一个两轴定位脉冲输出模块FX2N-20GM、两个步进电机驱动器、执行元件即两台步进电机和油泵电机及电磁阀、控按钮指示灯和触摸屏六部分组成。控制器最终采用三菱FX2N-32MT的PLC，他通过扩展电缆与一个两轴定位脉冲输出模块FX2N-20GM相连。机床通过电磁阀对液压马达控制，使液压马达驱动转臂旋转；FX2N-20GM与PLC通过指令进行数据交换，输出脉冲对电机驱动器进

45、行控制，再驱动相应步进电机在转臂上位移，进而控制加工修复法兰密封槽机械加工装置按工艺要求动作。手持式远程操显示平台的触摸屏直接与PLC通过通信口通信，平台操作按钮及开关由PLC的输入口输入，可通过触摸屏对系统运动参数设置和各项操作功能的选择。机床控制流程图表达了对机床操作的动作顺序及控制加工的过程。控制流程图如图5-3所示。触摸屏按钮指示灯FX2N-32MT PLC油泵电机电磁阀FX2N-20GM两轴定位模块步进电机驱动器1步进电机驱动器2X轴步进电机Y轴步进电机图5-2 控制系统组成总启动 刀架位置调整调整好装卡道具转臂松刀具装卡好转臂旋转输入切削速度输入切削量启动步进电机完成NNY图5-3

46、 控制系统流程图5.2.4 人机界面操作显示器选择为了方便对系统的设置调整及状态监控，本设计需要一个能与操作人员进行沟通的界面，这样既能接受外界的输入信号又可显示整个系统的运行状态。考虑保持整个控制系统的兼容性和操作维修方便，我们优先考虑三菱GOT系列人机界面。GOT900系列操作终端作为三菱公司开发的一种操作监控界面，具有优越的性能，可直接在屏幕上进行开关操作，信息状态显示、数据显示等一些操作2。5.3 控制电路设计5.3.1 液压系统控制电路液压系统分为液压马达的控制和液压电磁阀的控制两部分11。其电路图如图5-4、5-5所示。图5-4 液压马达驱动电机的控制电路图图5-5 液压电磁阀控制

47、电路图5.3.2 PLC控制电路以PLC为主体的控制器电路，其核心部分为FX2N-32MT，他通过扩展电缆与一个特殊功能模块FX2N-20GM相连，FX2N-20GM操纵两台驱动器，再分别驱动两台三相步进电机，从而实现直线、圆弧插补功能，完成密封槽加工所需的径向和轴向进给。PLC控制电路简图如图5-6所示，其中，X1和X2是转臂控制键，X3、X4是步进电机正反转控制键，Y3、Y4、Y5、Y6是控制液压继电器。通过手提操作盒传输数据和指令。 图5-6 PLC控制简图5.3.3 密封槽数控机床电路密封槽数控机床电路图及控制系统原件布置图另附图纸。5.4 手提操作盒设计基于加工条件特殊，人工操作机床不方便，设计了手提操作盒来操作机床。手提操作盒外观设计如图5-7所示。考虑PLC和显示屏对本机床的控制特点，拟采用三菱的F920GOT-BBD5-K-C型显示屏14。显示屏7暂停转臂停转臂正常正反步进电机操作功能键数字键其它键图5-7 手提操作盒外观图结论目前我国修复加工法兰面密封槽的基本方法是离线修复，这一方