教学型数控铣床设计

专业机械电子工程班级1001学号06学生姓名指导老师完成日期谭季秋吴晨曦1目录第一章、绪论.............................................................................错误！未定义书签。1.1前言............................................................................................................签。1.2数控铣床简介............................................................................................-1-1.3课程设计的目的及意义............................................................................-2-第二章、设计任务说明书.........................................................错误！未定义书签。2.1基本任务及要求............................................................错误！未定义书签。2.2进度安排及完成时间....................................................错误！未定义书签。第三章、课题总体方案的确定.................................................错误！未定义书签。3.1机械传动部件的选择...................................................................................错误！未定义书签。3.2控制系统的设计..........................................................................................签。3.3系统运动方式的确定...................................................................................错误！未定义书签。3.4伺服系统的选择...........................................................................................错误！未定义书签。3.5、Y工作台的传动方式.............................................................................错误！未定义书签。第四章、控制系统的设计.........................................................错误！未定义书签。4.1控制系统的总体结构..................................................................................签。4.2运动控制模块简介......................................................................................签。4.3控制单元PLC的选择...................................................错误！未定义书签。4.4定位模块FX2N-20GM简介........................................错误！未定义书签。.......................................................................................错误！未定义书签。............................................................................................错误！未定义书签。............................................................................................错误！未定义书签。..................................................错误！未定义书签。2在我国对外开放进一步深化的新环境下,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品,其技术范围覆盖很多领域。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,他对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的,两者的加工工艺基本相同,结构也有些相似,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床,所以其结构也与普通铣床有很大区别.如图所示，数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成：1、主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。2、进给伺服系统由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。5、机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架其中，XY数控工作台是数控铣床的重要组成部分，它是许多机电一体化设备的基本部件，X-YX-Y滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝Y方向的直线移动。3导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用本次课程设计也将从机械选择以及程序设计等几个方面对XY数控铣床进行大致的研《机电一体化》课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的与要求：1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想怪知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。2、通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式3、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式4第三章课题总体方案的确定数控系统总体方案设计的内容包括：机械传动部件的选择、控制系统的设计两个大的方面。还有系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服系统及通电方式控制方案的确定，X、Y工作台的传动方式等。下面进行方案的分析。要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副。它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.010mm的脉冲当量和±0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。（3）减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为此本例决定采用无间隙齿轮传动减速箱任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有1000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性/价比。（5）检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。5（1）设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。（2）对于步进电动机的开环控制，选用三菱公司的PLC中FX系列的FX2N-80MT作为控制系统的控制单元，能够满足任务书给定的相关指标。（3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等。（4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。6由前面所确定的控制方案，针对本课题教学实验用数控铣床系统的要求，制定了相应的PLC(可编程逻辑控制器)与PC图3控制系统总体机构图7PLC通过使用专用的定位控制模块，可以对直线运动、圆周运动的位置，速度和加速度进行控制，也可实现单轴或多轴位置控制，使运动控制与顺序控制有机地结合起来，广泛地用于各种通用机械、专用机床、机器人、电梯等。三菱公司生产生产的定位控制模块，属于智能I／O模块，其本身就是一个带有微处理器的计算机系统，有很强的信息处理能力和控制功能，其CPU与PLC本身的CPU并行工作，大大提高了系统的速度和控制功能。Fx2N系列定位控制模块20GM是能够独立进行2轴定位控制的装置，不仅具备定位控制语言、编程控制语言，还具有进行数据处理的功能指令，因此可以独立进行更高级的定位控制。（1）由用户通过PC机在三菱FX2n-80MT的专用软件FXGPWIN进行梯形图程序的编写，并通过232通信线传给PLC。（2）。用户可以通过手动按钮或控制盒输入开关量给PLC，通过计算后PLC产生驱动器电源开关信号，并通过运动控制模块20GM控制伺服电机驱动器。然后，驱动器拖动数控机床的X轴伺服电机和Y轴伺服电机完成两轴联动。（3）20GM。安装时，与PLC固定在同一金属槽中并通过内部扁平线缆和PLC接口电路连PLC20GM专用软件FXVPS-E进给量进行设置，并通过232通信线进行传输。（4）步进电机及步进电机驱动器，在接收到脉冲信号和方向后，通过连接丝杠进给运动。8三菱公司PLC的FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。除输入出16--25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本PLC。系统配置既固定又灵活。在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16--256点的灵活输入输出组合。备有可自由选择，丰富的品种。可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。综合我们本次课题的控制方面的要求以及经济性、实用性，我们选择三菱FX2N－80MT主机作为我们这次课题的控制器。FX2N-80MT-001，两路独立输出最高达100KPS脉冲，可控制步进电机和伺服电机做定位控制，晶体管输出比普通继电器输出反应时间缩短90%以上，不存在触点老化问题。输入40点输出40点，最大可扩展到256点。程序容量8K；可扩展至16。三菱（简称20GM）是一种小型智能化定位单元，其完备的功能完全可以与大中型PLC定位模块媲美。拥有完善的扩展接口，允许用户使用步进电机或伺服电机，并通过驱动单元来实现双轴的定位控制。FX2N-20GM定位控制器(以后称FX2N-20GM或20GM)为脉冲电路输出单元，它使得步进电机或伺服电机通过驱动单元进行定位控制。一个FX2N-20GM可控制2个轴（可使用线性插补和园(cod指令)和顺序语言(基本指令和应用指令)。20GM采用FX-VPS-E用“有向连线”连接，具有形象、直观、简洁、易用的特点。双击对应的指令符号块即出现“参数设置”的形象化对话框，可以方便地进行操作。9FX2N-20GM统称定位单元，是输出脉冲序列的专用单元，模块的输出脉冲数、脉冲频率可调，通过步进驱动器或伺服器控制。FX2N-20GM配有一种专用定位语言指令和顺序语言基本指令和应用指令进行编制位置控制程序，能够同时控制两个坐标轴，并可实现线性/圆弧插补功能，位置控制功能。FX2N-20GM脉冲发生单元后面称作"PGU",通过给伺服电机驱动器或步进电机驱动器发脉冲,可实现两轴定位可实现两轴联动控制。作为PLC的一种特殊模块,可单独工作,也可与PLC连接使用.当与FX2N系列的PLC连接使用时,利用模块自带扁平电缆直接与PLC的扩展口或扩展模块扩展口连接;模块地址依与PLC连接的顺序从左往右分别为#0,#1,#2,„„;与PLC之间使用FROM和TO指令传递数据与命令。12N器器12234567891166、、4102N表2功能与意义名称20122232425262728292222222设中X的11图5FX的尺寸结构图图6定位单元引脚名称功能示意图12图7放大器的结构组成变频器应用与变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。本次课程设计综合经济性和实用性以及性能的考虑，选用三菱FR—E540变频器来作为主轴三相交流电动机的变频器。FR—E540变频器是日本三菱公司为了适应现代工厂自动化进程而开发的一种新型多用途变频器。它除保持了以往三菱变频器功能强大、操作便捷等优点之外，还可以应用于现代SmartFactory）基012345本13678910图814或。步距角(°)电压/V60相电流/A0.94外形尺寸/mm质量/kg:15图916其中，PLC的电源控制开关是QF120GM连接(如图8（1）中较粗黑线)。PLC的输入按钮包括机床启动X、机床停动作按钮X、X轴动作按钮X、两轴联动按101112钮XY轴动作按钮X、正向X、反向X以及复位、限位开关等多个项目，主要用于用13141516户输入开关量；PLC的输出是Y0触点和Y触点，其中Y0通过继电器KA0的线圈连接到公共1端COM，并通过KAO触点连接接触器KM线圈，由KM的触点和空气开关QF2一起控制x轴和z轴伺服电机驱动器的通断。Y触点通过其常闭触点Y控制Y轴伺服电机驱动器的通断，从而使机床处于单轴动作状11当线路连接完毕后，合上QFl，并将PLCPROG”编程状态，此时将梯形图文件传送至PLC20GM的编程电缆也连接到上位PC20GM的状态开关拨至“MANU”手动状态上。然后通过拍20GM专用软件“FXVPS—E”将定位程序传送至20GM。将开关QF2PLCRUN20GMAUTO”状态，PLC的Y0输出从而使KM主触头闭合，驱动器1和驱动器2得电。按下PLC输入端的“复位”按钮后，X轴和Y轴将回到原位，整个系统处于归零工作状态。其中，HJD一4试验机已在原位设置了位置开关，用于系统硬件归零。若断开开关QFI，PLC将失电，从而步进驱动器也会失电导致整个系统处于断电状态。由于步进电机不需要反馈电路，但是要注意工作台不能超过最大行程。因此，必须在X、Y轴的方向各加上两个行程开关。这里行程开关作用有两个：人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力，一般要求操作简便，界面简洁明了。此系统中共有2个旋钮，其中一个较大的旋钮开关是用于用户选择是X轴或Y轴单独运动，对调速开关进行了简化，只设置了低、中、高三档调速，通过设定不同的速度档位来控制步进电机的运转速度，从而XY平台的运动速度。界面上的6紧急停止系统的运行，保障安全和及时挽回损失。1718本次课程设计