五轴数控雕铣机设计

II论文题目论文题目基于异型薄壁零件的三轴联动数控雕铣成型加工机设计研究姓名：方柯专业：机械设计制造及其自动化指导教师：赵丽萍摘要：本文首先阐述了雕铣技术的研究背景和意义，然后阐述了五轴数控雕铣成型机床总体结构设计，其中包括雕铣加工机床的构成及结构形式、雕铣数控成型机总体结构设计、机床进给系统设计方案的确定、其他组件的方案确定，接着阐述了雕铣数控雕铣机床进给系统的设计与计算，最后阐述了机床控制系统的设计。本课题通过对雕铣加工机结构进行改进，应用五轴联动的结构进行加工，通过对数控雕铣机床机械系统功能的分析，在原有的雕铣加工机基础上进行结构改进最终完成了雕铣成型机床总体结构和进给系统的设计；并在此基础上完成了控制系统的设计，最后通过改进雕铣加工机床的结构；控制系统采用PAC系统，提高了雕铣成型加工过程的自动化。关键词：雕铣；五轴联动；PACFive-axisCNCmillingmachinedesignName：fangkeMajor：MechanicalDesignManufacturingandAutomationTutor：zhaolipingAbstract:Thispaperfirstdescribesthebackgroundandsignificanceoftheengravingandmillingtechnology,thendescribesthefive-axisCNCmillingmachineshapingtheoveralldesign,includingthecompositionandstructureoftheformofengravingandmillingmachinetools,CNCengravingandmillingmachineoverallstructuraldesign,machinetooltodeterminethesystemdesign,theprogramdeterminestheothercomponents,andthenelaboratedengravingandmillingCNCEDMmachinetoolfeedsystemdesignandcalculation,andfinallydescribesthedesignofthemachinecontrolsystem.Throughthisprojectengravingandmillingmachinetoimprovethestructure,thestructureoftheapplicationfive-axismachining,CNCmillingthroughthemechanicalsystemanalysistoolfunctionsintheoriginalengravingandmillingmachiningstructuralimprovementsonthebasisofthefinalcompletionoftheengravingandmillingmoldingmachineoverallstructureanddesignofthefeedsystem;andonthisbasis,tocompletethedesignofthecontrolsystem,andfinallybyimprovingthestructureofengravingandmillingmachinetools;systemusesthePACsystemtoimprovetheengravingandmillingmoldingprocessautomationandcontrol.Keywords:Engraving；Fiveaxislinkage；PACPAGE481前言1.1课题的研究背景与意义雕铣属于特种加工的一种，在现代工业的某些领域有着无可替代的地位。随着模具工业和计算机技术的飞速发展，对零件的精度、性能、寿命的要求越来越高。因此在设计上采用了许多新材料、新结构，导致零件的结构、形状复杂，如各种复杂形状的型孔和型腔工件，这些零件出于精度、寿命等因素考虑，常采用高温合金、硬质合金、耐热钢淬火钢等材料，且加工精度、表面粗糙度要求高，传统的机械加工方法实现困难、成本高。雕铣的应用解决了这些难题，并成为现代加工工业已成为不可缺少的重要设备；但当前雕铣加工的设备还比较单一，结构上还是以手动或单轴雕铣成型机数控系统为主，在实际加工中已不能满足零件的精度和性能要求，因此对于雕铣加工机结构改进的意义十分重大。为增强雕铣加工机的功能，将雕铣加工机的结构进行改进，改进的雕铣加工机为五轴联动的结构形式，控制系统选用PAC系统控制。它们的优点介绍如下：（1）采用五轴联动结构的优点 =1\*GB3①工件的装夹变得容易。加工时无需特殊夹具，降低了夹具的成本，避免了多次装夹，提高加工精度。=2\*GB3②采用五轴技术加工可以减少夹具的使用数量。=3\*GB3③五轴联动雕铣机床在加工中能增加刀具的有效切削刃长度，且无切削力，提高了刀具使用寿命，降低成本。（2）控制系统选用PAC系统的优点=1\*GB3①PAC具备多个专业的功能性，在一个平台上可实现包括逻辑和顺序控制、运动控制、驱动控制和过程控制的功能。

=2\*GB3②PAC的软件开发可提供按流程或加工过程的设计工具，设计直接针对若干机器或处理单元，按状态(步)、激活状态(动作块)和转移条件进行。=3\*GB3③PAC具有开放的、模块化的体系结构，适用于从工厂自动化到流程工业的单元操作。1.2雕铣加工概述1.2.1雕铣加工基本原理工作原理一般认为雕铣机是使用小刀具、大功率和高速主轴电机的数控铣床。国外并没有雕铣机的概念，加工模具他们是以加工中心（电脑锣）铣削为主的，但加工中心有它的不足，特别是在用小刀具加工小型模具时会显得力不从心，并且成本很高。国内开始的时候只有数控雕刻机的概念，雕刻机的优势在雕，如果加工材料硬度比较大也会显得力不从心。雕铣机的出现可以说填补了两者之间的空白。雕铣机既可以雕刻，也可铣削，是一种高效高精的数控机床。雕铣机这个概念最先是由佳铁提出并且实现的。1.2.2雕铣加工分类、特点和适用范围它主轴转速高适合小刀具的加工，扭矩比较小，着重于“雕刻”功能，例如木材（专门加工木板的称为木雕机）、双色板、亚克力板等硬度不高的板材，不太适合强切削的大工件。目前市面上的大多数打着雕刻机旗号的产品都是为加工工艺品为主，成本低，由于精度不高，不宜用于模具开发；但也有例外的例如晶片雕刻机。1.3雕铣加工技术的发展现状我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上取得了很大的发展，在一些关键技术方面也取得了重大突破。据统计，目前我国可供市场的数控机床有1500种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。领域之广，可与日本、德国、美国并驾齐驱。这标志着国内数控机床已进入快速发展的时期。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在8000—10000r∕min以上的数控机床。我国数控机床行业近年来大力推广应用CAD等技术，很多企业已开始和计划实施应用ERP、MRPⅡ和电子商务。但从国情来看，我国正处于工业化中期，即从解决短缺为主的开放逐步向建设经济强国转变，从脱贫向致富转变，煤炭、汽车、钢铁、房地产、建材、机械、电子、化工等一批以重工业为基础的高增长行业发展势头强劲，构成了对机床市场尤其是数控机床的巨大需要。据毕马威会计事务所分析，中国已经超过德国，成为世界第一大机床市场，数控机床已成为机床消费的主流。我国未来数控机床市场巨大，预计2010年数控机床消费仍将超过60亿美元，台数将超过10万台。专家指出，中高档数控机床的比例会大幅增加，经济型数控机床的比例不会有太大变化，而非数控的普通机床的需求将会大幅度减少。近年，全国模具产值也有大幅增长。我国目前大型、精密、复杂、长寿命模具依然大量进口，模具市场主要集中在华东，大约占全国销售额的75%。最近，江苏苏州地区已在规划筹建亚洲最大的模具制造基地。模具制造业需要高速数控铣床、三坐标测量机、精密电加工机床、高精度加工中心、精密磨床等。电子信息设备制造行业的装备99.5%依赖进口。该行业需求大批小型精密数控机床：如高速铣削中心、高速加工中心、小型精密车床、小型精密冲床、精密和超精密加工专用数控机床及精密电加工机床等。近年党中央、国务院高度重视包括数控机床在内的装备制造业发展，相继出台的一系列政策措施，进一步确立了数控机床产业的战略地位，为行业发展创造了有利条件。我国机床行业经过几十年的发展，形成了具有一定生产规模和技术水平的产业体系，具备了快速提升的基础，尤其是"十五"以来，面对持续高涨的国内市场需求和良好的政策环境，我国机床行业发展迅速，在质和量上都取得了飞跃。1.4本课题的主要任务本课题的主要任务本课题在雕铣成型机原理的基础上，研究机床的结构系统、驱动控制。其主要内容如下：（1）设计出五轴联动雕铣加工机床的进给系统，包括各部分主要零件的设计计算、校核；电机的选择；零件设计主要包括滚珠丝杠、蜗轮蜗杆、锥齿轮的设计计算，以及步进电机的选取。（2）控制部分的选择与设计，进给运动的控制。（3）绘制雕铣加工机床主要零部件结构图。1.5本章小结本章主要介绍了雕铣加工技术在现代加工业的重要地位，和当前的一些发展状况。根据雕铣加工机床的发展趋势提出五轴联动雕铣加工机床的结构方案和PAC控制系统的方案，明确了具体任务，为接下来的设计做准备。2五轴联动雕铣成型机床总体结构设计2.1雕铣成型加工机床的构成及结构形式雕铣成形加工机床主要包括主机、电源箱、工作液循环过滤系统及附件等，主机用于支承、固定工具电极，实现电极在加工过程中稳定的伺服进给运动。主机主要由床身、立柱、主轴头、工作台及工作液槽等部分组成。电源箱包括脉冲电源、伺服进给系统和其他电气控制系统。工作液循环过滤系统包括供液泵、过滤器，各种控制阀、管道等。雕铣成型加工机主机传动轴的名称与运动方向：雕铣成形加工机床主机一般有X，Y，Z三轴传动系统。Z轴(主轴)：控制主轴头上下移动。面对机床，主轴头移动向上为+Z，向下为-Z。X轴：工作台左右移动轴。面对机床，主轴向右(工作台向左)移动为+X，反向为-X。Y轴：工作台前后移动轴。面对机床，主轴向前(工作台向后)移动为+Y，反向为-Y。2.2雕铣数控成型机总体结构设计机床机械系统的功能分析：根据零件加工要求，本课题设计的五轴联动雕铣数控成型机主机的机械系统的主要功能为三个功能：驱动功能、运动功能、结构功能。（1）驱动功能：驱动功能为机床提供动力保障，主要涉及两个方面，一是对机床各部分提供能量传递与分配工作，二是进行能量的转换包括驱动部件和制动部件。（2）运动功能：主要是各功能轴的传动、导向功能。（3）结构功能：机床的支承和各部件间的联接功能。通过功能分析，得到该机床系统的功能单元后，我们可以根据预期的功能目标及设备制造技术发展的现实状况，合理选择完成功能单元的功能载体，即机床各分功能的实现机构。2.3机床进给系统设计方案的确定2.3.1机械结构方案确定（1）XYZ三轴运动控制传动方案确定主要采用丝杠作为主要的传动部件，其特点如下：=1\*GB3①摩擦系数小、效率高。机械效率达90%以上，比滑动丝杠螺母传动的机械效率高2～4倍。在相同负载下，较滑动丝杠的传动扭矩减少2/3，其逆向传动效率也接近正向传动效率。=2\*GB3②由于是滚动摩擦，无论动静摩擦，摩擦系数很接近，无论静止或高、低转速，摩擦力几乎不变，因而传动平稳。由于磨损少，相对寿命变长。而且因为摩擦小，滚珠丝杠副可在预紧后仍轻快传动，通过预紧消除间隙很容易，可做到反向无空行程，提高刚度。导向机构采用直线滚动导轨：采用滚动导轨可以减少导轨的磨擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。执行部件的选择：步进电动机具有其主要优点是有较高的定位精度，无位置累积误差；拥有较高的可靠性。（2）工作台传动方案确定工作台运动方式包括两方面：工作台的旋转运动；工作台在X方向的回转运动。目前用于旋转的传动结构一般都用齿轮完成，例如蜗轮蜗杆结构、锥齿轮结构。①蜗轮蜗杆结构主要用于传递交错轴的回转运动和动力，它具有以下优点：结构紧凑传动比大；传动平稳噪声低，冲击载荷小噪声低。但是蜗轮蜗杆的传动效率较低。总体看来，选用蜗轮蜗杆能够较好实现工作台的旋转运动。②锥齿轮结构用于相交轴之间的传动。两轴交角∑大多为90°，即两轴垂直相交传动形式。直齿锥齿轮传动的设计、制造比较简单。工作中振动和噪声较大，故速度不宜过高，一般用于圆周速度v＜5m/s场合。工作台在X方向的回转运动速度较低，因此锥齿轮结构能够满足设计要求。2.3.2控制系统方案确定目前的工业控制系统主要以PLC为主，PAC则是一个PLC中较为优秀的一种。PAC具有单一的控制器和机箱，可用于处理数字和模拟I/O，具有运动，视觉功能和模块化仪器，因此不需要像普通PLC购买多个控制器。运动控制：PAC系统在，对于控制高于两轴运动方式时，作用显著。在PXI平台上的运动控制器可以提供高达8轴的运动方式，而且可以使用NI运动助手对系统进行轻松地配置。简单易用的开发环境：虽然传统的梯形逻辑编程非常适合于数字I/O的编程，然而对于处理模拟I/O，运动或视觉这种编程方式则十分麻烦。PAC可以用通用的语言编写控制程序，为您提供了很大的灵活性，这些通用语言包括C，C++，VisualBasic，甚至是传统的梯形逻辑。简而言之，PAC能增加所需的PC功能以用于高级控制，实时分析或连接企业数据库，而且同时保持了PLC的可靠性。因此本文选用PAC控制系统。2.3.3机床主要技术参数及精度指标（1）机床主要性能指标见表2.1。表2.1机床主要性能指标Table2.1Machinekeyperformanceindicators工作台尺寸800400(mm)机床功率8KVAX、Y、Z行程400×320275(mm)测量分辨率0.5μm机床外形尺寸140016002000(mm)C轴转角360°工件最大尺寸650350300(mm)最大加工电流70A（2）机床传动系统精度要求由于工作台或主轴传递运动的传动丝杠与螺母之间一般都存在微小间隙，所以在工作台或主轴往正向移动后再向反向移动时会少移动一段距离，这个距离主要反映了工作台正、反向移动时，传动丝杠与螺母之间的间隙所带来的运动误差。机床传动系统精度见表2.2。表2.2机床数控精度指标Table2.2NCmachinetoolaccuracyspecifications序号机床数控精度指标允许偏差实测偏差1X轴运动的重复定位精度和失动量重复定位精度0.02重复定位精度0.015失动量0.04失动量0.0202Y轴运动的重复定位精度和失动量重复定位精度0.02重复定位精度0.015失动量0.04失动量0.0273Z轴运动的重复定位精度和失动量重复定位精度0.03重复定位精度0.020失动量0.04失动量0.0262.4其他组件的方案确定2.4.1滚珠丝杠的支撑型式滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，而径向载荷主要是卧式丝杠的自重。其两端支承的配置情况分为一端固定一端自由、两端固定和一端固定一端浮动，如图3.1所示。a)一端固定一端自由b)两端固定c)一端固定一端浮动a）FixedEndfreedomb)Fixedatbothendsc)FixedEndfloat图3.1滚珠丝杠的支承配置Figure3.1Ballbearingconfiguration（1)图3.1(a)所示是一端固定一端自由的支承形式。其特点是结构简单，轴向刚度低，适用于短丝杠及垂直布置丝杠，一般用于数控机床的调整环节和升降台式数控铣床的垂直坐标轴。（2)图3.1(b)所示是一端固定一端浮动的支承形式，丝杠轴向刚度与a)形式相同，丝杠受热后有膨胀伸长的余地，需保证螺母与两支承同轴。这种形式的配置结构较复杂，工艺较困难，适用于较长丝杠或卧式丝杠。（3)图3.1(c)所示是两端固定的支承形式，丝杠的轴向刚度约为一端固定形式的4倍，可预拉伸，这样既可对滚珠丝杠施加预紧力，又可使丝杠受热变形得到补偿，保持恒定预紧力，但结构工艺都较复杂，适用于长丝杠。本课题中采用第三种支承配置方式。2.4.2轴承的配置形式一般说来数控机床的主轴结构的轴承有以下几种配置形式：(1）前后支承均采用双列短圆柱滚子轴承来承受径向载荷，安装在前端的两个推力球轴承用来承受前后方向的轴向负载。这种结构能承受较大的负载（特别是轴向负载），可适应强力切削，但主轴转速不能太高，轴承在高转速时容易发热。由于推力球轴承安装在主轴前端，当主轴旋转时前轴承和后轴承温度差较大，热变形对主轴精度影响也很较大。前轴承温度高，主轴前端升高量大，后轴承温度低，主轴末端升高量小，因此，这种机构目前应用较小。(2）前后支承用双列短圆柱滚子轴承来承受径向负荷，用安装在主轴前端的双向向心推力球轴承来承受轴向负载。这种结构刚性较好。(3）前轴承用单列向心推力球轴承，背靠背安装，由2～3个轴承组成一套，用以承受径向和轴向负载；后轴承用双列短圆柱滚子轴承。这种结构适应较高转速、较重切削负载，主轴精度教好。但承受的轴向负载较前两种结构小。(4）前后支承均采用成组单列向心推力球轴承，用以承受径向和轴向负载。这中结构适应高转速，中等负载的数控机床。在中、小规格的数控机床上采用这种机构较多。本次设计主轴所采用的轴承配置采用第四种方式。滚珠丝杠所用轴承为接触角为60度的角接触球轴承。2.4.3主轴组件的调整滚动轴承的预紧是采用适当的方法是滚动体和内外套圈之间产生一定的预紧变形而带负游隙运行。预紧的目的是增加轴承的刚度，提高旋转精度，延长轴承寿命。按预载荷的方向可分为轴向预紧和径向预紧。而角接触轴承主要是轴向预紧，这可明显提高轴向刚度。弹性变形量δa与轴向外载荷Fa的关系为δa与Fa成正比。2.5本章小结本章首先介绍了雕铣成型加工机床的构成及结构形式，对课题要求的雕铣成型机床总体功能进行分析，根据功能确定机床总体布局,明确机床主要性能指标以及机床传动系统精度要求，为后续的具体机构设计打下基础。3五轴联动数控雕铣机床进给系统的设计与计算3.1主轴（Z轴）传动系统部件的设计计算3.1.1Z轴滚珠丝杠的工作情况分析Z轴不承受工作载荷根据机床设计要求,电极最大重量为70Kg，估计有关的工件重量为：主轴35Kg,直线导轨6Kg，主轴丝杆2.5Kg,主轴下端板8Kg，罩壳等重量3.5Kg。3.1.2Z轴滚珠丝杠副的主要技术参数及设计、计算流程（1）滚珠丝杠的主要技术参数如图3.1所示。图3.1丝杠参数示意图Figure3.1Schematicscrewparameters=1\*GB3①公称直径d0滚珠丝杠的公称直径d0是滚珠中心所在圆直径。它是滚珠丝杠螺母副的特征尺寸。名义直径与承载能力有直接关系，d0越大，承载能力和刚度越大。=2\*GB3②导程Ph导程是丝杠相对于螺母旋转一圈时，螺母上基准点的轴向位移。导程的大小是根据机床的加工精度要求确定的。导程过小势必使滚珠直径变小，滚珠丝杠螺母副的承载能力亦随之减小。1）导程的初确定Ph（mm），Ph≥vmax/nmax。=3\*GB3③滚珠直径d一般取d=0.6Ph=4\*GB3④滚珠的工作圈数j和工作滚珠总数N

螺母内各圈滚珠所承受的载荷是不相等的，第一圈滚珠承受轴向载荷的30～45%，第五圈以后，承载极小，多于五圈的结构均不合理。

工作圈数j一般取2.5～3.5圈，而工作滚珠总数N以不大于150个为宜。=5\*GB3⑤列数K要求工作圈数较多的场合，可采用双列或多列式螺母的结构形式。（2）滚珠丝杠螺母副的设计计算主要内容：1)额定动载荷和额定静载荷额定动载荷是指一批相同参数的滚珠丝杠螺母副，在n≥10r/min的相同工作条件下运转1000000转后，90%的螺旋副(指螺纹滚道和滚动体)不发生疲劳点蚀损伤所能承受的最大轴向载荷，定义为额定动载荷Cam。额定静载荷是指把滚珠丝杠副在静态或低转速(n≤10r/min)条件下，受接触应力最大的滚珠和滚道接触面间产生的塑性变形量之和达到滚珠直径0.0001倍时的最大轴向载荷，定义为额定静载荷。2)滚珠丝杠副疲劳强度计算滚珠丝杠应根据其额定动载荷选用。滚珠丝杠的当量额定动载荷为：Cam=Fm·fw（60nmLh）1/3/100fafc式中：Fm—轴向工作载荷(N)，同时Fm=(2Fmax+Fmin)/3；Fmax,Fmin—丝杠最大，最小轴向载荷(N)；L—工作寿命，以106转为1单位，L=60nLh/106；n—丝杠转速(r/min)；Lh—使用寿命(H)，对数控机床可取Lh=15000h；fw—负荷系数，按表3.2选取；fc—可靠性系数，一般取fc=1。3）滚珠丝杠螺母副的选择步骤：①计算最大的工作载荷；②计算最大动载荷，对于静态或低速运转的滚珠丝杠，还需考虑最大静载荷是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷；③验算刚度；④压杆稳定性核算。（3）主轴（Z轴）轴向工作载荷计算根据机床设计要求,电极最大重量为70Kg，估计有关的工件重量为：主轴35Kg,直线导轨6Kg，主轴丝杆2.5Kg,主轴下端板8Kg，罩壳等重量3.5Kg，滚珠丝杆预压力N=400N直线导轨摩擦力不计，电机需要拖动重量共计G=125Kg，电机需要拖动力F=1250N。时间常数：T=25ms；滚珠丝杠基本导程：Ph=3mm；脉冲当量：mm/step；步距角：/step；快速进给速度：m/min；加工进给速度V=0.08m/min；综合系数f‘=0.2；由数控加工技术手册查得，机床丝杠的轴向工作载荷约为：（公式2）（4）主轴强度计算：疲劳寿命，一般难以总回数来表示，但可以总回数时间，或总行走距离表示。各种机械的预期工作时间(Lh)见表3.1.表3.1各类机械预期工作时间Table3.1Typesofmachineryareexpectedworkinghours用途寿命时间(h)工作机械20000一般产业机械10000自动控制机械15000量测装置15000寿命值（公式3）r/min查表3.1得Lh=15000h则：L当量额定动载荷Cam查丝杠手册得：运转系数；硬度系数；则:CamN（3）丝杠选择根据最大动负荷Cam的值，由丝杠手册中选择滚珠丝杠的型号。该机床滚珠丝杠的型号为:FFZDG2004-3-T3（4）丝杠参数：公称直径:D0=20螺距t=4螺距升角:滚珠直径:滚道半径:R=1.239偏心距:e=0.034丝杠外径:d1=19.6螺母凸缘外径:螺钉中心圆直径:螺母凸缘厚度:T=6垫圈厚度:圆螺母尺寸:螺钉尺寸:螺钉个数:4二个圆螺母厚度:螺母配合外径:D=30平键尺寸:螺母座键槽深度:螺母座长度:螺母装配总长度:L=72（5）丝杠传动效率计算：根据《机械原理》的公式，丝杠螺母副的传动效率EQ为：（公式4）式中摩擦角螺旋升角则（6）传动系统的刚度验算丝杠刚度验算：滚珠丝杠受工作负载Fw引起的导程的变化量△（公式5）式中mm=0.4cm滚珠丝杠截面积则△cm因为滚珠丝杠受扭矩引起的导程的变化量△L2很少，可以忽略。所以丝杆的导程变化量：△L=△L1。导程变形总误差△为：△=△L=um/m查丝杠手册知3级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15um/m，故刚度足够。3.2XY轴进给传动系统精密部件的设计3.2.1X轴滚珠丝杠的工作情况分析由于机床工作时，工作台固定，所以X轴不承受工作载荷。X轴在做进给运动时，其移动部件120Kg，电机与丝杠直联，驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动工作台左右移动。工件及夹具重量为40Kg；工作台最大行程L=1000mm

；工作台导轨的摩擦系数：动摩擦系数μ=0.1，静摩擦系数μ0=0.2

；快速进给速度

Vmax=6m/min

；定位精度20μm/300mm，全行程25μm

，重复定位精度10μm

；要求寿命Lh15000小时；最高转速为1500r/min。3.2.2X轴滚珠丝杠的设计计算(1)确定滚珠丝杠副的导程：（公式6）式中：为滚珠丝杠副的导程mm；为工作台最大移动速度mm/min；为电机的最高转速r/min；i为电机至丝杠的传动比，因电机与丝杠直联，所以i=1。代入数据后，可得：=5mm公称直径定为d0=32（2）当量转速与当量载荷的计算=1\*GB3①丝杠的轴向工作载荷计算：因加工时工作台固定，无切削力，所以轴向载荷为：F=f‘W=0.2×(120+40)=32Kg=320N=2\*GB3②当量转速计算：式中：nm为当量转速r/min，n为丝杠转速r/min，t为工作时间百分比。由已知条件代入数据，可得：nm=1500r/min。=3\*GB3③当量载荷计算：（公式7）（3）预期额定动载荷（Cam）计算：=1\*GB3①按工作时间估算：（公式8）式中：Cam—预期额定动载荷N，L—工作寿命，以106转为1单位，L=60nmLh/106，fw—负荷系数，按表3.2选取，fa—精度系数，按表3.3选取，fc—可靠性系数，一般取fc=1。表3.2负荷系数fwTable3.2Loadfactorfw载荷性质无冲击轻微冲击伴有冲击或震动fw1—1.21.2—1.51.5—2表3.3精度等级系数faTable3.3Accuracyclassfactorfa精度等级1、2、34、5710fa1.0根据X轴的工作情况，取fw=1.2，fa=1，L=60nmLh/106=60×1500×15000/106=1350代入数据可得：4244（N）=2\*GB3②按丝杠副的预期运行距离Ls（千米）计算：（见公式8）式中：Ls—预期运行距离（Km），一般取250Km,代入数据计算可得：=3\*GB3③拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载Fmax计算：=feFmax式中fe—预加载荷系数，按表3.4选取表3.4预加负荷系数表Table3.4Pre-loadcoefficienttable预加负荷系数轻预载中预载重预载fe取fe=4.5，则Cam=4.5X320/2=720（N）取以上三种结果的最大值：Cam=4244N（4）确定允许的最小螺纹底径=1\*GB3①估算丝杠允许的最大轴向变形量≤（1/3～1/4）重复定位精度≤（1/4～1/5）定位精度—最大轴向变形量µm由课题条件已知：重复定位精度10µm,定位精度25µm，则有：

=3

=6取两种结果的小值=3µm=2\*GB3②估算最小螺纹底径因为丝杠要求预拉伸，取两端固定支承形式（公式10）式中：E—杨氏弹性模量，为2.1×105N/mm2δm—估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（µm）F0—导轨静摩擦力（N）。F0=µ0W(µ0为静摩擦系数)L—两个固定支承之间的距离（mm）L≈（1.1—1.2）行程+（10—14）Ph由已知条件知：行程为1000mm，W=2000N，µ0=0.2，代入计算得，L=1272mm，F0=400N则d2m=16.1mm（5）确定滚珠丝杠副的规格按照已估算出的X轴丝杠导程Ph和额定动载荷Cam及丝杠最小底径d2的要求，选取丝杠型号为FFZD2004—3，其Ph=4mm，d2=20.9mm>16.9mm，Ca=7.5KN>5305N。Y轴选用的滚珠丝杠型号同X轴。（6）预紧力（Fp）的确定当选择FFB(FFbB)、FFZD、CMFB、CMFZD等预紧螺母型式的滚珠丝杠副时需确定预紧力。预紧力Fp=Fmax式中Fmax=400N，所以≈134N（7）行程补偿值C和预拉伸力Ft的计算对于两端固定支承，需要预拉伸的滚珠丝杠副应规定目标行程补偿值，并计算预拉伸力。如图3.2所示：图3.2两端固定支承结构Figure3.2Bothendsofthefixedsupportstructure=1\*GB3①行程补偿值C（公式11）式中：C—行程补偿值（µm），△t—温度变化值，20—30C，α—丝杠的线膨胀系数11.8×10-6/度，Lu—滚珠丝杠副的有效行程（mm），Lu≈工作台行程+螺母长度+两个安全行程≈行程+（8—14）Ph，计算得：Lu≈1060mm，△t温差取2.50CC≈31（µm）=2\*GB3②预拉伸力Ft(公式12)式中：Ft—预拉伸力（N），d2—滚珠丝杠螺纹底径（mm），E—杨氏弹性模量，2.1×105N/mm2△t—滚珠丝杠的温升，20—30C，代入计算后得：Ft≈2129N（8）确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格=1\*GB3①轴承所承受的最大轴向载荷FBmax=Ft+Fmax代入得FBmax=2529N=2\*GB3②轴承类型两端固定的支承形式，选背对背60°角接触推力球轴承=3\*GB3③轴承内径d略小于d2=20.9mm,FBP=1/3FBmax取d=20代入得FBP=843（N）=4\*GB3④轴承预紧力预加负荷≥FBP=5\*GB3⑤按轴承标准选轴承型号规格根据d=20mm

,预加负荷为：Fp≥FBP的要求，所以选7600C轴承，该轴承d=20mm，预加负荷为：Fp=1000>FBP=843N3.2.3传动系统的刚度计算(1)传动系统的刚度K关联因素分析传动系统的刚度K计算公式如下：（公式13）式中：—滚珠丝杠副的拉压刚度。计算见下面说明—滚珠丝杠支承轴承的轴向刚度。可查轴承样本及有关资料。—滚珠丝杠副滚珠与滚道的接触刚度可查样本。—折合到滚珠丝杠副上的伺服刚度，一般情况可忽略不计，精度计算时按计算，其中有关数据可查电机手册。—滚珠丝杠副中螺母体刚度。一般可忽略不计，精确计算按估算。—滚珠丝杠副的扭转刚度。可忽略不计。所以传动系统刚度校核一般按下列公式计算：(2)计算KS(N/μm)滚珠丝杠副的拉压刚度KS是滚珠螺母至丝杠轴向固定处距离a(mm)的函数。如图3.3所示：曲线1：一端固定，另一端自由或游动Curve1:oneendfixedandtheotherendfreeorswimming曲线2：两端固定或两端支承Curve2:fixedorbothendsofthesupporting图3.3滚珠螺母至丝杠轴向固定处距离a(mm)的函数Figure3.3Aballscrewnuttoanaxialdistancefromafixedpointa(mm)ofthefunction拉压刚度与行程关系：=1\*GB3①丝杠支承形式为一端固定，一端自由或游动。（公式14）式中：—拉压刚度（N/mm2）E-杨氏弹性模量2.1×105N/mm2d2-丝杠底径（mm）当a=L1（滚珠螺母至固定支承的最大距离）时刚度最小（见图3.4）当a=L0（靠固定端的行程起点处）时刚度最大（见图3.4）图3.4滚珠螺母示意图Figure3.4Schematicballnut=2\*GB3②支承形式为两端支承或两端固定（见公式14）当a=L1/2时（即处在两支承的中点时）刚度最小（见图3.6）式中：L1—两支承间的距离（如图3.5所示）d2—丝杠底径当a=L0时（螺母在行程两端处）刚度最大（如图3.6所示）图3.5滚珠螺母示意图Figure3.5Schematicballnut（3）计算Kb(N/μm)=1\*GB3①未预紧轴承的刚度KB与一对预紧轴承组合刚度KB0可以从样本中查找，也可按照表3.5中公式近似计算表3.5轴承刚度参数Table3.5Bearingstiffnessparameters轴承类型KB(N/μm)KB0(N/μm)角接触球轴承（7000型）推力球轴承（5000型）1.95圆锥滚子轴承（3000型）推力圆柱滚子轴承（8000型）表中公式使用说明：a运用表中公式条件是：球轴承的预紧力为：滚子轴承的预紧力：b表中参数说明：β—轴承接触角（deg）dQ—滚动体直径（mm）Lr—滚子的有效长度（mm）Z—滚动体个数Fa—轴向工作载荷（N）Famax—最大轴向工作载荷（N）滚珠丝杠副支承的刚度Kb（见表3.6）表3.6滚珠丝杠副支承的刚度KbTable3.6BallscrewbearingstiffnessKb一端固定，一端自由Kb=KB0预紧KB=KB0二端支承未预紧Kb=KB一端固定，一端游动固定端预紧Kb=KB0二端固定固定端预紧Kb=2KB0（4）Kc计算=1\*GB3①对不预紧的滚珠丝杠副，轴向工作载荷为F(N)（公式15）式中：Kc’—查丝杠手册上的刚度（N/μm）Ca—额定动载荷2）对预紧的滚珠丝杠副，轴向预紧载荷Fp(N)（公式16）式中：—查丝杠手册上的刚度（N/μm）—额定动载荷（5）本系统刚度计算结果：按上述计算要求，结合本课题X轴传动系统的具体配置条件，课题中的相关参数计算步骤及结果如下：=1\*GB3①丝杠抗压刚度a丝杠最小抗压刚度代入所选丝杠的相关参数得：=525（N/μm）b丝杠最大抗压刚度计算得：=6117（N/μm）=2\*GB3②支承轴承组合刚度a一对预紧轴承的组合刚度=，（公式17）式中：=7.144

，Z=14

，β=60°，=3预加负荷（Fp）=5400（

N/μm）计算得：=722.7（N）b支承轴承组合刚度由表3.6两端固定支承=2，=1445（N）=3\*GB3③滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度查轴承手册=1110N/μm，=1869（N）3.2.4传动系统刚度验算(1)刚度验算及丝杠精度选择规则将Kmax，Kb，Kc及其他有关值带入式，得Kmax，将Ksmin替换Ksmax代入得Kmim。由于数控机床精度在机床空载下验收，称摩擦死区误差。F0是机床空载时导轨上的静摩擦力。称为传动系统刚度变化引起的定位误差。按JB/GQ1140-89规定的数控机床反向差值主要取决于Δ，而定位误差主要取决于滚珠丝杠副的精度，其次是δk。因此传动系统刚度验算按以下原则进行：0.8Δ≤反向差值，即Kmin≥1.6F0/反向差值滚珠丝杠副的精度选择：开环控制系统中使用的滚珠丝杠副，ep+vup≤0.8×（定位精度-δk）ep+vup≤0.8×（300mm定位精度-δk）半闭环控制系统或可以行程补偿的开环系统：ep≤0.8×（定位精度-δk）v300up≤0.8×（300mm定位精度-δk）现根据使用情况选择滚珠丝杠副的类型（P类或T类），然后参照滚珠丝杠副的精度标准表。按上述两式计算结果确定滚珠丝杠副的ep，vup或v300up，从而确定滚珠丝杠副的精度等级。(2)刚度验算结果=0.003（

N/μm）=0.001（

N/μm）根据已知条件反向差值即重复定位精度为10，预加载荷F0为1000N，1.6F0/反向差值=（1.6×1000/10=160）<（1/0.003≈333）系统刚度满足要求。(3)丝杠副的精度选择由传动系统刚度变化引起的定位误差;根据选择原则：V300up≤0.8×定位精度δk，由已知条件，定位精度为20μm/300，有：V300up＜14.3μm因此丝杠精度取为3级，V300up=12μm＜14.3μm，可以满足设计要求。3.2.5X轴进给机构转动惯量的计算及电机的选择(1)作用在滚珠丝杠副上各种转矩的计算外加载荷产生的摩擦力矩TF(N,m)（公式18）滚珠丝杠副预加载荷FP产生的预紧力矩Tp(N,m)式中：Ph—滚珠丝杠副导程η—未预紧的滚珠丝杠副效率，1、2、3级精度的丝杠η=0.9；4级精度的丝杠η=0.85。F—作用在滚珠丝杠副上的外加轴向载荷，不同情况下取值不一样。若计算电机启动转矩时，机械是空载启动时，F是导轨摩擦力（垂向运动F还包括机构重量）；若计算电机工作转矩时，F包括导轨摩擦力，工作载荷（垂向运动F还包括机构重量）。(2)负荷转动惯量JL(kg.m2)及传动系统转动惯量J(kg.m2)的计算。（公式19）式中：Ji，ni—各旋转件的转动惯量（kg.m2）和转速（r/min）mj，Vj—各直线运动件的质量（kg）和速度（m/min）Jm，nm—电机的转动惯量（kg.m2）和转速（r/min）(3)加速转矩Ta和最大加速转矩Tam当电机转速从升到时：（公式20）当电机从静止升速至nmax：式中：n—电机转速（r/min）nmax—电机最高转速（r/min）ta—加速时间（s）ta≈（3~4）tm或者按性能要求自行规定。tm—电机时间常数。可查电机手册(4)电机的最大启动转矩Tr(N.m)（公式21）式中：i—电机到滚珠丝杠副的传动比。直联i=1Te—不在滚珠丝杠副上的其他传动元件的摩擦力矩折算到电机上的值。(5)电机连续工作的最大转矩机械在最大工作载荷下连续均匀运转时的电机转矩TM(N.m)(6)按照样本选用电机时要注意一下三个方面=1\*GB3①惯性匹配，电机的转动惯量应满足，Jm=(1~4)JL；=2\*GB3②验算电机最大转矩≥Tr=3\*GB3③验算电机的额定转矩≥Tm，且Tm在电机的连续工作区间。(7)本课题中电机参数计算及选择=1\*GB3①电机的转动惯量计算：移动件换算到丝杠的转动惯量：丝杠的转动惯量：总的转动惯量:=根据要求，电机所需的转动惯量J与电机转动惯量JM有一定的范围,尽量大些，综合考虑加工过程排屑产生的吸力和经济性,，取，则：JM=4J=4×46.75=187=2\*GB3②电机转动力矩的计算代入本课题中已知条件：TF=400×0.006/(2π×0.9)=0.424N.mTP=1000×0.006×（1－0.81）/(2π×0.81)=0.224N.m最大加速转矩Tam（见公式20）ta取25ms=9.35（Nm）电机总的转矩：T=Tam+TF＋TP=9.998N.m综合考虑，查表选用：90BF004电机，能满足使用要求。其参数：相数5相，步矩角0.75Deg。以上为Z轴、X轴的计算、校核过程，Y轴的计算、校核方法与X轴一致，亦已按上述方法完成。3.3蜗杆传动结构设计3.3.1蜗轮蜗杆的工作情况分析蜗杆和蜗轮副的传动称为蜗杆传动，常用于中低功率和非连续工作的传动(1）结构紧凑传动比大(2）传动平稳噪声低，冲击载荷小(3）当蜗杆传动角很小时，能实现反行程自锁缺点：摩擦损失大，效率低，成本高3.3.2蜗轮蜗杆传动设计计算(1）参数：蜗杆输入功率P1=0.6kwn1=820r/min，蜗轮转速n2=20r/min单头，要求使用寿命5年，每年工作300天，每天工作8小时。(2）选择材料：由于机器人的结构比较重要，选蜗杆材料为45#，表面淬火，硬度58HBS，右旋形式，选择蜗轮材料为ZCuSn10Pb1，金属模铸造。(3)选择蜗杆、蜗轮齿数i=n1/n2=41选择涡轮蜗杆的齿数蜗杆头数z1的选取：z1=1蜗轮齿数z2=iz1=41中心距a：a=（d1+d2+2x2m）/2=80mm齿型角：压力角α，一般取20°α=20°(4）模数：对于Σ=90°的蜗杆传动，蜗杆轴向齿距px1应与蜗轮端面齿距pt2相等。因此蜗杆的轴向模数mx1与蜗轮的端面模数mt2相等。m=mn/cosγ=4mm齿数比：u=z2/z1=41涡轮变位系数：x2=a/m-(d1+d2)/2m=-0.500蜗杆直径系数q：是蜗杆分度圆直径d1与模数m的比值。q也是蜗杆头数z1与导程角γ正切的比值，即q=d1/m=z1/tanγq=d1/m=4.875蜗杆轴向齿距px=πm=12.56mm蜗杆导程pz=πmz1=12.56mm蜗杆分度圆直径d1:蜗杆分度圆直径和d1，为限制加工蜗轮齿的蜗杆滚刀数不致过多，蜗杆滚刀可由专业厂精确制造，因此将蜗杆分度圆直径d1标准化。d1=mq=43mm蜗杆齿顶圆直径da1=d1+2ha1=d1+2ha*m=48mm蜗杆齿根圆直径df1=d1-2hf1=d1-2（ha*m+c）=9.9mm顶隙cc=c*m=0.8mm蜗杆齿顶高ha1==7.2mm蜗杆齿根高hf1==6.8mm蜗杆齿高h1=ha1+hf1=14mm蜗杆导程角γtanγ=mz1/d1=5°42′38″渐开线蜗杆基圆导程角γbcosγb=cosγcosαn=19°15′54″蜗杆齿宽b1=95mm涡轮分度圆直径d2d2=mz2=2a-d1-2x2m=110mm涡轮喉圆直径da2=d2+2ha2=144.5mm涡轮齿根圆直径df2=d2-2hf2=126.9mm涡轮齿顶高ha2=7.2mm涡轮齿根高hf2=6.8mm涡轮齿高h2=ha2+hf2=1/2（da2-df2）=14mm蜗轮齿宽b2≥0.65da1=31.2mm蜗轮齿宽角θ=2arcsin（b2/d1）=77°28′40″3.3.3验算接触疲劳强度校核蜗杆和涡轮传动效率η1η2η3η1=tanγ/tan(γ＋бv)η2—搅油损耗效率，在0.94~0.99间，取η2=0.98η3轴承效率取η3=0.98蜗轮在分度圆的线速度v=查表得бv=4°34′η1=tanγ/tan(γ＋бv)=0.0874/0.176=49%η=η1η2η3=0.49×0.98×0.98=47%3.3.4接触疲劳强度校核：蜗轮上的转矩蜗轮上的切向力（公式22）按式系数齿形系数ZE得0.680则寿命系数fn=1，按fh=1，载荷系数fw，因载荷平稳，fw=1于是如采用8级精度，得SHlim=2故通过齿根强度校核考虑机器启动时，过载系数为2，故mn=mcosr=4×0.995=1.99b2=1.1b2=1.1×31.2=34.32mm于是结果合格3.4锥齿轮的结构设计3.4.1锥齿轮的工作情况分析锥齿轮用于相交轴之间的传动。两轴交角∑大多为90°，即两轴垂直相交传动形式。直齿锥齿轮传动的设计、制造比较简单。但由于制造精度普遍较低，工作中振动和噪声较大，故速度不宜过高，一般用于圆周速度v＜5m/s场合。3.4.2直齿锥齿轮的几何计算（1）参数拟订：小轮传递的额定转矩T1=55.5N·m，n1=357.1r/min；大轮，n2=115r/min，两齿轮轴线相交成90°，齿面粗糙度。大小轮均采用20Cr经渗碳，淬火，HRC=58～63，采用100号中极压齿轮油润滑，希望齿轮长期工作。（2）齿数比载荷系数K=1.5（3）试验齿轮接触疲劳强度极限估算时的安全系数齿轮的许用接触应力估算结果（4）几何计算齿数Z：模数m：由大轮（或小轮）大端分度圆直径和齿数z2（或z1）求出大端端面模数直齿锥齿轮需按GB/T12368-1990标准值（见表）加以圆整。m=d1\z1=60\20=3m=3齿宽b:取b=0.3R和b=10m中小者，b=30.3齿顶高系数ha*=1顶隙系数c*=0.2压力角α=20轴交角∑=90高变位系数x1=0.46[1-cosδ2/(μcosδ1)]=0.41x2=-0.41切向变位系数xti=0.015x2=-0.015大端分度圆直径d1：一对锥齿轮中大端分度圆直径可表示成d1=mz1；d2=mz2d1=mz1=57.5mm分锥角δ1=17.850δ2=90-δ1=72.150大端锥距R：锥距R反应齿轮传动的外廓尺寸及承载能力的大小，是锥齿轮的特征尺寸，大体相当于圆柱齿轮的中心距。R=0.5mz1/sinδ1=92.976大端齿距pp=πm=9.425大端齿顶高hai=m（ha*±x1）小齿轮4.23大齿轮1.77大端齿跟高hfi=m（ha*+c*±x1）小齿轮2.37大齿轮4.83大端全齿高h=hai+hfi=6.60mm齿根角θfi=arctan（hfi/R）小齿轮1.460大齿轮2.973无根切许用最大齿根角θfimax=[180（1+4tan2δisin2αcos2α）0.5—1]/(2πtanθicos2α)小齿轮2.136°大齿轮12.877°其余参数：齿顶角θai=θf2=2.973°θa2=θf1=1.460°顶锥角δai=δ1+θai小齿轮2.973大齿轮1.460°跟锥角δai=δi—θfi小齿轮16.391°大齿轮69.176°大端齿顶圆直径dai=di+2haicosδi小齿轮62.2mm大齿轮174.1mm冠顶距Aai=Rcosδi—haisinδi小齿轮88mm大齿轮80mm大端分度圆齿厚si=m（π/2±2x1tanα±xt1）小齿轮5.563mm大齿轮3.772mm大端分度圆弦齿厚小齿轮5.643mm大齿轮3.772mm大端分度圆弦齿高小齿轮4.363mm大齿轮1.776mm 3.4.2接触强度校核（公式23）分度圆的切向力使用系数动载系数:载荷分布系数载荷分配系数KV=1节点分配系数ZH=2.5弹性系数ZE=189.8N/mm2重合度螺旋角系数锥齿轮系数计算结果计算接触应力试验齿轮接触疲劳强度极限寿命系数润滑油膜影响系数最小安全系数工作硬度系数许用接触应力值结论通过3.4.3弯曲强度校核（公式24）复合齿形系数重合度和螺旋角系数计算许用弯曲应力齿根基本强度寿命系数相对齿根圆角敏感系数相对齿根表面状况系数尺寸系数最小安全系数许用弯曲应力值结论符合要求3.5本章小结根据课题的设计要求，本章完成了机床进给系统的总体结构设计，确定了进给系统的传动方案，对进给系统中的关键部件滚珠丝杠副、蜗轮蜗杆结构、锥齿轮进行了详细的设计和校核。4机床控制系统设计4.1PAC选型本次设计选择PAC型号为PACSystemsRX3iPACSystemsRX3i控制器是创新的可编程自动化控制器PACSystems家族中最新增加的部件。它是中、高端过程和离散控制应用的新一代控制器。PACSystemsRX3i的特点是具有单一的控制引擎和通用的编程环境，PACSystemsRX3i在一个紧凑的、节省成本的组件包中提供高级的自动化功能。4.2PACSystemsRX3i的模块介绍RX3i部件（1）RX3iCPU高性能处理器：奔腾PIII300MHz/PIII1GHz，支持32KDI,32KDO,32KAI,32KAO以及多达5M字的数据贮存，高达56M存储内存，所有设备文档都可以贮存在CPU中。支持多种编程语言：LD梯形图、指令表、C语言、FBD功能块图、ST结构文本、顺序流程图、符号编程以及用户自己的编程软件。内置两个串行口，一个RS-232，一个RS-485三位置工况开关:Run,RunDisabled,Stop诊断状态指示LED：OK（CPUOK）、RUN（运行）、OutputsEnabled（输出允许）、I/OFORCE(输入/输出强制)、BATTERY（电池）、SYSTEMFAULT(系统错误)。内置温度传感器(对应warmandhot报警位)（2）RX3i背板RX3i可以使用二种通用底板：12插槽的和16插槽的。每个插槽既支持新的模块也支持现有的90-30系列I/O模块（PCM3xx和CMM301、CMM302、CMM311、CMM321等除外），此外还提供：=1\*GB3①内置在基板上的可选的风扇控制端子座（CPU和电源上的热敏传感器）。=2\*GB3②通过传统机架的扩展（选项模块）。=3\*GB3③当使用直流电源时（电源占用一个插槽），16槽的基板最多能够容纳13个输入/输出模块和选项模块。12槽的基板最多能够容纳9个上述模块（CPU占用2个模块插槽）=4\*GB3④RX3i基板既支持PCI总线也支持串行总线。每个插槽有2个连接器，1个是PCI连接器，另1个是串行连接器。PCI总线提供的性能是串行总线的250倍。串行总线（1MHz）数据传送速率0.062兆字节/秒，而新的PCI总线（27MHz）的数据出送速率是27.0兆字节/秒。因此，在使用PCI总线的情况下，以太网和其它智能模块的数据吞吐量将增加70%。（3）电源RX3i有三种类型的40瓦电源：交流120/240伏（直流125伏）双宽度模块和直流24伏单幅宽模块。二种电源都装有热敏传感器，其接线端子是成双的，以便菊花链式接线。通/断开关位于门的背面。二种类型的电源支持带电‘热’插拨。（4）RX3i以太网模块RX3i以太网模块（如图1-1）是以10/100兆位双工/全双工方式通信的，它支持SRTP、EGD和通道（信号发生器和使用器）。发光二极管诊断显示下列状态：以太网OK；局域网OK；工作登录状态（附加协议还计划包括ModbusTCP、EthernetIP、ProfiNET、DNP3.0）。（5）扩展模块4.3步进电机驱动器由微机根据控制要求发出的脉冲，并依次将脉冲分配到各相绕组，因其功率很小，电压不足5V，电流为mA级，必须经过驱动器将信号电流放大到若干安培，才能驱动步进电动机。因此，步进电动机驱动器实际上是一个功率放大器。驱动器的质量直接影响步进电动机的性能，驱动器的负载是电机的绕组，是强电感应负载。对驱动器的主要要求是：失真要小，要有较好的前后沿和足够的幅度;效率要高；工作可靠；安装调试和维修方便。4.4步进电机控制程序（1）控制信号说明=1\*GB3①PLS——步进脉冲信号此信号低电平使内部光耦导通，驱动器将对脉冲信号下降沿响应。脉冲的有效宽度不应小于10µs。=2\*GB3②DIR——方向控制信号外加电平的变化控制电机的运转方向。为保证响应的可靠性，方向信号应至少大于脉冲信号50µs。电机的初始运行方向与电机的接线有关，可以通过互换两相改变。（2）IC200MDD841IC200MDD841是VersaMax系列可编程控制器的I/O模块,该模块可以提供高速计数、数字量的输入/输出、脉宽调制以及脉冲串输出，在本实验中，该模块主要用于步进电机的步进脉冲信号（PLS）输出以及方向控制信号（DIR）。Q00021用于控制脉冲使能，Q00025用于控制脉冲开始，Q00021与Q00025置1后Q00001输出脉冲串，可以用Q00002与步进电机驱动器的方向控制信号（DIR）相连，控制步进电机的方向。其中步进脉冲串可以通过MOV指令对AQ0001、AQ0002设置来进行控制，AQ0001存储脉冲频率，AQ0002存储脉冲的个数。（3）I/O分配表见表4.1表4.1I/O分配表Table4.1I/OallocationtableI203与系统左限位开关相连I204与系统右限位开关相连I211控制电机左行I212控制电机右行(3)对PLC进行硬件配置Target1：Slot0（IC695PSD040）Slot1（IC695CPU310）Slot2（UsedWithSlot1）Slot3（IC695ETM001）Slot4(IC694ACC300)Target2:Slot0(IC200EBI001)Slot0(IC200MDD841)5.梯形图如图4.1所示ENDMOVEINT1INQMOVEINT1INQSSSRRRIOO211I002031000AQ001左率频率ENDMOVEINT1INQMOVEINT1INQSSSRRRIOO211I002031000AQ001左率频率32000AQ0002左右脉冲左行左限位I00212I00204右行右限位Q00021左右使能左右开始Q00025Q00002左右DIRQ00021左右使能左右DIRQ00002左右使能Q00025I00211左行I000212左行I00212右行I00203左限位I00204右限位Figure4.1Ladder4.5本章小结本章介绍了控制系统构成，并对系统控制部分进行了设计，实现基于采用步进电机技术的数控机床五轴联动加工，实现了课题所要求的加工功能。总结本课题机械部分的设计成果是设计出进给系统的主要零部件，能够把工作台自身回转运动与X、Y、Z三轴直线运动的结合，实现各进给轴的进给运动。控制部分是应用PAC控制系统实现步进电机的控制，调节电极和工作台的位置。雕铣加工机靠X、Y、Z三轴直线运动与小工作台的回转运动，增加了一定的加工范围，但还不够完善。所以提出采用一对锥齿轮实现工作台绕X轴方向的回转运动，这样就组成了多轴回转系统与多种直线运动协调组合成多种复合运动方式，适应了同种类工件的加工要求，扩大了数控雕铣加工的加工范围。参考文献[1]中国机械工程学会中国机械设计大典编委会。中国机械设计大典（4）。江西：江西科学技术出版社，2002.[2]叶树林.小孔的特种加工技术综述。机械工程师,1997,(6):48-50.[3]

佳工机电网/news_95522.html[4]贾宝贤,王振龙,赵万生.基于特种加工的微小孔加工技术。电加工与模具,2005,(2):1-5.[5]安立宝.微小孔加工技术及其进展。航空工艺技术,1996,(3):6-8.[6]徐惠宇.微细电解加工系统及其相关工艺的研究。南京,南京航空航天大学,2004.[7]黄春峰,赖传兴,陈树全.现代特种加工技术的发展。航空精密制造技术,2001,(6):14-20.[8]王红妍.利用高速雕铣加工深小孔。机械工人,2006,(3):37-38.[9]刘晋春,赵家齐编著.特种加工(第3版)。北京,机械工业出版社,1999.[10]赵万生主编。雕铣加工技术。哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000.[11]李文卓.微细雕铣加工系统及其相关技术的研究。哈尔滨,哈尔滨工业大学,2002.[12]张辽远.现代加工技术。北京,机械工业出版社,2002.[13]赵万生,韦红雨,狄士春,马骏.微细雕铣加工的新进展。仪器仪表学报,1996,17(l):65~69.[14]张勇,王振龙,李志勇,等.微细雕铣加工装置关键技术研究。机械工程学报,2004,40(9):175-179.[15]张勇,王振龙,胡富强,等.微细雕铣加工装置的设计与应用。微细加工技术2004,255~59.[16]李勇,王显军,周兆英等.微细雕铣加工关键技术研究。清华大学学报(自然科学版),1999,39(8):45-48.[17]李勇,李芳,周骋等.微细雕铣加工设备技术研究。制造技术与机床.2002,5:12~15.[18]高长水,宋小中,刘止埙.雕铣微细加工微能脉冲电源研制。航空精密制造技术,1997,3:9~11.[19]高长水,宋小中,刘正埙.雕铣微细加工系统研制。机械科学与技术,1997,26(5):48-51.[20]曹风国.雕铣加工技术。北京:化学工业出版社.2005.1:325~327.致谢在本文结束之际，首先要向指导老师赵丽萍老师表示衷心的感谢！赵老师在论文撰写的过程中给予了我细心的指导和关心，使我顺利完成了论文的撰写。还有要感谢工程技术学院机械设计制造及其自动化专业的全体老师们,是他们昔日的教导,才使我能有今天的收获。最后，向所有关心和支持我工作的朋友们表示衷心的感谢。附件FeaturesCNCmillingmachine(1)ThedifferencebetweentheuseofandmachiningcentersandengravingmachineMachiningcenters:HongKongandTaiwan,Guangdongareacalledthecomputergongs,withanautomatictoolchangermagazineandhighlyautomatedmultifunctionalCNCmachinetools.ThefirstprocessingcenterintheUnitedStatesin1958.Itcanb