数控机床横向进给系统及结构设计

目录前言2TOC\o"1-5"\h\z1、数控机床进给系统概述2.1.1伺服进给系统概述21.2伺服进给系统分类31.3伺服进给系统的基本要求31.4主要设计任务3.2.1确定滚珠丝杠副的导程32.2确定当量转速与当量载荷32.3预期额定动载荷42.4确定允许的最小螺纹底径62.5确定滚珠丝杠副的规格代号72.6确定滚珠丝杠副预紧力72.7行程补偿值与与拉伸力72.8确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格82.9滚珠丝杠副工作图设计82.10电机选择9.2.11传动系统刚度112.12刚度验算及精度选择122.13验算临界压缩载荷132.14验算临界转速1.33、PLC控制系统设计14控制部分的要求及硬件的选择14PLC组成及工作原理14变频器工作原理15编码器工作原理16顺序功能图及硬件接线图17PLC程序计算公式18HYPERLINK\h\zaam当转速从n升到n时：122兀(n—n)r二j€1——a60ta当电机从静止升至n时：max2兀nT—J€maxam60ta式中t-加速时间„(3-4)tamt-电机时间常数查得t=4.91msmmt取3.5tam求得T=12.54(N・M)aT=18.4(N・M)am电机的最大起动转矩(N・M)T—T+(T+T+T+T)i+TramfpbfeT=31.1r电机连续工作最大转矩(N・M)T—(T+T+T+T)i+TmfpbfeT=12.7m6）确定电机aa代入得代入得我们选用120MB150A-001000交流伺服电机T=42.97>31.1rT=14.32>12.7m2.11传动系统刚度(1)丝杠抗压刚度丝杠最小抗压刚度K=6.6厶X10sminK:最小抗压刚度N/msmind:丝杠底径2L:固定支承距离1K=200N/msmin丝杠最大抗压刚度K=6.6X10smaxK:最大抗压刚度N/msmaxK=2600N/msmax支承轴承组合刚度由样本查出一对预紧760306TN1轴承K=740N/mBO支承轴承组合刚度K=2KbBOK=1480N/mbK:支承轴承组合刚度N/mb滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度aa代入得代入得aa代入得代入得K=KCC(oFc1)3代入得代入得K:滚珠和滚道的接触刚度N/"mCK:查样本上的刚度N/mCF:滚珠丝杠副预紧力NPC:额定动载荷Na由样本查得：K=1410N/由样本查得：K=1410N/Cm；C=34500N；aF=4300NP得K=1517N/mC2.12刚度验算及精度选择TOC\o"1-5"\h\z已知W=830N，=0.2F166N0=F:静摩擦力N0:静摩擦系数W:正压力N验算传动系统刚度KminK:传动系统刚度Nmin已知反向差值或重复定位精度为6K=200>44.3min传动系统刚度变化引起的定位误差=0.8m确定精度V:任意300mm内的行程变动量对半闭环系统言,300pVW0.8X定位精度-300p定位精度为12m/300代入得代入得V8.8“m300p丝杠精度取为2级=8mV8.8300p确定滚珠丝杠副的规格代号已确定的型号：FFZD公称直径：32导程：10P类2级精度FFZD4010-3-P2.13验算临界压缩载荷d4F，kk2X105€Fc12lc2MAX1k=1k，4i322.14验算临界转速n=fX10cn:临界转速r/mincf:与支承形式有关的系数:丝杠底径mm:临界转速计算长度mmf=21.9由样本得d=3225721>n=1500max2.15验算：D=DnnpwmaxD:滚珠丝杠副的节圆直径mmpwn:滚珠丝杠副最高转速r/minmaxD~41.4mmpwn=1500r/minmax41280V700003、PLC控制系统设计控制部分的要求及硬件的选择本次课程设计要求，设计PLC与交流电机、变频器、编码器接线图，并实现加速-匀速-减速的速度曲线，可正反转。PLC组成及工作原理PLC的硬件主要由CPU模块、I/O端口组成。中央处理单兀CPU是PLC的核心，它是运算、控制中心，将完成以下任务：接受并存储用户程序和数据。诊断工作状态。接受输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来。读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作。PLC中的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器I/O接口模块的作用是将工业现场装置与CPU模块连接起来，包括开关量I/O接口模块、模拟量I/O接口模块、智能I/O接口模块以及外设通讯接口模块等。PLC工作过程一般可分为输入采样，程序执行和输出刷新三个主要阶段。PLC按顺序采样所有输入信号并读入到输入映像寄存器中存储，在PLC执行程序时被使用，通过对当前输入输出映像寄存器中的数据进行运算处理，再将其结果写入输出映像寄存器中保存，当PLC刷新输出锁存器时被用作驱动用户设备，至此完成一个扫描周期。PLC的扫描周期一般在100毫秒以内。PLC程序的易修改性，可靠性，通用性，易扩展性，易维护性可和计算机程序相媲美，再加上其体积小，重量轻，安装调试方便，使其设计加工周期大为缩短，维修也方便，还可重复利用。本次课程设计PLC选型为S7-200如图3-1

»MM1u•VU”PJQ1CJM怙9.7IV1,-J9<5(S®®OcS(Si(S(S®r.1kJT.}1.1LTlA1J*VL*jll*呂*•”如力孕J,W$#ML|注呎b臼70卡0方$枷・B*1$・TJ101*0000000000000000000000000000nwwwwwwJiYMnwwwwwwJiYM图3TPLC3.3变频器工作原理主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路整流器•大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。平波回路•在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量,可以省去电感采用简单的平波回路。逆变器•同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率,以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”主电路的“电压、电流检测电路”电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路：以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏本次课程设计中选用的是3G3MZ变频器并配置3G3AZ-CT01扩展PG卡如图3-2图3-2变频器3.4编码器工作原理由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。分辨率一编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。本设计选用1024分辨率PNP型集电极编码器图3-3编码器3.5顺序功能图及硬件接线图根据课程设计的要求可以画出顺序功能图，如图3-4图3-4代入得代入得根据所给定的硬件进行硬件接线，如图3-5代入得代入得代入得代入得mi鹤抽器1131>S2.咖¥5L2S-兀化RsT代入得代入得代入得代入得3-5硬件接线图3.6PLC程序计算公式设Vl=3000mm/mina为10mm/s匀速运行时间为10sVmax=8000mm/min3-6运行速度图D€320003-6运行速度图D€32000maxvt=i=5sa脉冲当量0.01mm伪加速减速时间maxV€DV11max=12000D加速变匀速时的数字脉冲量1AD=D1=240AD为每个脉冲所累加值L100ms

3.7PLC程序梯形图网络1VW1D0B零代入得代入得代入得代入得SM0.1MOV_WENENO0-INOUT-W100代入得代入得M0.4M0.4M0.5M0.4*I—I_C)Q0.2J§)1代入得代入得网络9M0.5T40J1INTON11M0.61-PT100msM0.7图3-7梯形图代入得代入得结束语为期两周的课程设计结束了，应该说对数控机床主轴设计以及PLC控制方面还是有不小的收获。在老师的指导和同学的帮助下，完成了主轴的参数设计，以及用PLC控制交流电机的加减速正反转程序。当然编写