1、长春工业大学毕业设计I摘要由于生产发展的需要，机床对加工精度、生产效率提出更高的要求。机床在结构上发生改变，床身也增大了，尤其对加工尺寸要求相应的增多。本设备主要是用来对大直径的圆形零部件在圆周上进行铣削加工和规定位置上进行铣平面或钻孔,它的主要控制系统由 Siemens 的 SINUMERIC 802C base line 控制,由流水线上的 PLC 信号进行引导,利用光栅尺作为反馈信号。在本次设计的过程中,采用了易于控制的步进电机作为动力装置,控制方式采用闭环控制,采用精度较高、使用较为普遍的光栅尺作为闭环控制的反馈元件。机械执行机构采用滚珠丝杠副结构完成机床的横、竖向运动，机械导向机构则
2、采用滚珠导轨和滑动导轨相结合的方式完成横、竖向导向运动。数控机床是新型的自动化机床，它具有广泛通用性和很高的自动化程度。数控机床实现柔性自动化重要的装置，是发展柔性生产的基础。数控机床在零件的加工中，更能显示出它的优越性。关键词 大直径圆形零部件；闭环控制；步进电机长春工业大学毕业设计IIAbstractDue to production development needs, machine machining precision and efficiency of production to put forward higher requirement. Machine tools on t
3、he structure change, lathe bed also increased, especially for processing dimensional requirements corresponding increaseThis equipment mainly for the large-diameter circle in the round parts on the specified location and milling on the plane or milling drilling, the main control system uses the Siem
4、ens SINUMERIC 802C base line controlled by the PLC signal on the line as a guide , Using grating feedback device as a signal.In the design process, is powered by an easy control of the stepper motor, control methods for closed-loop control, sensors using high precision, use the more common types of
5、foot grating feedback as a closed-loop control components. Machinery implementing agencies to complete the structure of a ball screw machine horizontal, vertical movement, machine-oriented organizations to adopt Ball Guides and sliding rails completion of a combination of horizontal and vertical ori
6、entation.NC machine tools is a new type of automated machine tools, it has a wide range of generic and a high degree of automation. CNC machine tools to achieve flexible automation equipment important is the development of flexible production base. NC machine tool parts in the processing, it can sho
7、w the superiorityKeywords Large-diameter circular parts；closed- loop control；step-by-step the electrical machinery长春工业大学毕业设计III目 录1 概 述 .11.1 绪论 .11.2 数控技术的发展水平和趋势 .21.2.1 国内数控机床的发展水平 .21.2.2.数控技术的发展状况及水平 .31.3 系统方案设计 .61.4 系统内容设计 .62 机械部分的设计与计算 .72.1 导向机构的设计 .72.2 执行机构的设计 .72.2.1 竖向运动装置 .72.2.2 横向运
8、动装置 .82.3 传动机构设计和计算 .82.3.1 纵向运动装置 .82.3.2 横向运动装置 .102.3.3 伺服电机的设计、校验 .132.3.4 传动齿轮的设计与校验 .173 电控部分设计 .203.1 SINUMERIK 802C base line 的系统介绍 .203.2 系统的电气组成原理示意图 .213.3 可编程序控制器(PLC)及其应用 .213.4 系统的主电路原理图 .223.5 系统的 I/O 电路原理图 .223.6 控制系统 .253.7 电柜设计 .263.8 系统的电源电路原理图 .273.8.1 控制变压器 .273.8.2 I/O 系统电源及辅助控
9、制电路 .283.9 光栅尺的基本原理 .283.10 运行程序 .30结 论 .47设计体会 .48致 谢 .49参考文献 .50长春工业大学毕业设计11 概 述1.1 绪论从 20 世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求 100%检验的
10、零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 目前，在国内的数控机床中, 大都是加工直径比较小的领部件，而那些大直径的零部件都很难加工，本设计正是为了解决这一问题，能够对大直径圆形零部件在圆周上进行铣削和在规定位置上铣平面或钻孔，全部过程为数控系统进行控制，通过流水线上的 PLC 信号引导，利用光栅尺作为反馈信号。 数控机床是新型的自动化机床，它具有广泛通用性和很高的自动化程度。数控机床实现柔性自动化重要的装置，是发展柔性生产的基础。数控机床在下面一些零件的加工中，更能显示出它的优越性。它们是：批量小而又多次生产的零件；几何形状复杂的零件；在加工过程中必须进行多种
11、加工的零件；切削余量大的零件；必须控制公差（即公差带范围小）的零件；工艺设计会变化的零件；加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件；需全部检测的零件，等等。度。数控机床的优点：提高生产率；稳定产品质量；有广泛的适应性和较大的灵活性；可以实现一机多用；提高经济效益；不需要专用夹具；大大地减轻了工人的劳动强度。数控机床是计算机辅助设计与制造（CAD/CAM） ，群控（DNC）,柔性制造系统（FMS） 。计算机继承制造系统（CIMS）等柔性加工和柔性制造系统的基础。数控机床是具有广泛的通用性而又具有很高自动化程度的全新型机床。它的控制系统不仅能控制机床各种动作的先后顺序，还能控制机床运动部件的运动速
12、度，以及刀具相对工件的运动轨迹。数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。长春工业大学毕业设计21.2 数控技术的发展水平和趋势1.2.1 国内数控机床的发展水平我国从 1958 年开始研究数控技术，一直到 60 年代中期处于研制、开发时期。当时，一些高等院校、科研单位研制出试验性样机，开始也是从电子管着手的。1965 年，国内开始研制晶体管数控系统。60 年代末至 70 年代初研制成了劈锥数控铣床、数控非圆齿轮插齿机、CJK-18 晶体管
13、数控系统及 X53K-1G 立式铣床。从 70 年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元期间的质量和制造工艺水平差。致使数控系统的可靠性、稳定性未得到解决，因此未能广泛推广。在这一时期，数控线切割机床由于结构简单、使用方便、价格低廉，在磨具加工中得到了推广。80 年代，我国从日本发那科（FANUC）公司引进了 5，7，3 等系列的数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机技术，以及从美国、德国等国引进了一些新技术。并进行了商品化生产，这些系统可靠性高，功能齐全。推动了我国数控机床稳定的发展，使我国的数控机床在性能和质量上产
14、生了一个质的飞跃。1985 年，我国数控机床的品种有了新的发展。数控机床的品种不断增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床、重型数控机床都相继研制出来。为了跟踪国外技术的发展，北京机床研究所研制出了 JCS-FM-1、2 型的柔性制造单元和柔性制造系统。这个时期，我国在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量开发工作。一些较高档次的数控系统（五轴联动） 、分辨率为 0.02m 的高精度数控系统都开发出来了。并造出样机。现在，我国已经建立了以中、低档数控机床为主的产业体系。90 年代将向高档数控机床发展。我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观
15、质量差，产品开发周期长，应变能力差。为了缩小与世界先进水平的差距，有关专家建议机床企业应在以下 6 个方面着力研究：1加大力度实施质量工程，提高数控机床的无故障率。2跟踪国际水平，使数控机床向高效高精方面发展。3加大成套设计开发能力上求突破。4发挥服务优势，扩大市场占有率。5多品种制造，满足不同层次的用户。6模块化设计，缩短 开发周期，快速响应市场。数控机床使用范围越来越大，国内国际市场容量也越来越大，但竞争也会加剧，长春工业大学毕业设计3我们只有紧跟先进技术进步的大方向，并不断创新，才能赶超世界先进水平。1.2.2. 数控技术的发展状况及水平随着科学技术不断发展，数控机床的发展也越来越快，数
16、控机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。 高性能：随着数控系统集成度的增强，数控机床也实现多台集中控制，甚至远距离遥控。高精度：数控机床本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度的保持性要好。高速度：数控机床各轴运行的速度将大大加快。高柔性：数控机床的柔性化将向自动化程度更高的方向发展，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。模块化：数控机床要缩短周期和降低成本，就必然向模块化方向发展，这既有利于制造商又有利于客户。随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量品种多样化的要求越来越强烈。中、小批量生产的比重明显增加，要求现代数控机床成为一种高效率、高质量、高柔
17、性和低成本的新一代制造设备。同时，为了满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元（FMC），柔性制造系统（FMS），以及计算机集成制造系统（CIMS）提供基础设备，也要求数控机床向更高水平发展。这些要求主要有数字控制技术的发展来实现。数控技术体现在数控装置、伺服驱动系统、程序编制、机床主机和检测监控系统等方面：（一）数控装置推动数控技术发展的关键因素是数控装置。由于微电子技术的发展，当今占绝对优势的微型计算机数控系统发展非常快，其技术发展概况如下：1.数控装置的微处理器已经由 8 位 CPU 过渡到 16 位和 32 位 CPU，频率有原来的 5MHz,提高到 16MHz,20MHz 和 32M
18、Hz,并且开始采用精简指令集运算芯片 RISC 作为主 CPU，进一步提高了运算速度。采用大规模和超大规模集成电路和多个微处理器，使结构模块化、标准化和通用化，使其数控功能根据用户需要进行任意组合和扩展。2.具有强功能的内装式机床可编程控制器，用梯形图语言，C 语言或 Pascal 语言进行编程。在 CNC 和 PC 之间有高速窗口，它们有机地结合起来。除能完成开关量的逻辑控制外，还有监控功能和轴控制功能等。3.配备多种遥控接口和智能接口。系统除配有 RS232C 串行接口，光纤维和20mA 电流回路等外，还有 CNC 接口。可以实现几台数控机床之间的数据通讯，也可以直接对几台数控机床进行控制
19、。现代数控机床，为了适应自动化技术的进一步发展，适应工厂自动化规模越来长春工业大学毕业设计4越大的要求，纷纷采用 MAP 等高级工业控制网络，实现不同厂家和不同类型机床的联网要求。4.具有很好的操作性能。系统具有“友好”的人机界面，普通采用薄膜软按钮的操作面板，减少指示灯和按钮数量，使操作一目了然。大量采用菜单选择操作方法，使操作越来越方便。CRT 显示技术大大提高，彩色图像显示已很普通。不仅能显示字符，平面图形，还能显示三维动态立体图形。5.数控系统的可靠性大大提高。大量采用高集成度的芯片、专用芯片及混合式集成电路，提高了硬件质量，减少了元器件数量。这样降低了功耗，提高了可靠性。新型大规模集
20、成电路，采用了表面安装技术（SMT），实现了三维高密度安装工艺。元器件经过严格筛选，建立由设计、试制到生产的一整套质量保证体系，使得数控装置的平均无故障时间 MTBF=10000-36000 小时。（二）伺服驱动系统伺服系统是数控机床的重要组成部分。与数控装置相配合，伺服系统的静态和动态特性直接影响机床的定位精度、加工精度和位移精度。现在，直流伺服系统被交流数字伺服系统代替。伺服电机的位置、速度及电流环都实现了数字化。并采用了新的控制理论，实现了不受机械负荷变动影响的高速响应系统。其发展的技术如下：1.前馈控制技术。过去的伺服系统，是把检测器信号与位置指令的差值乘以位置环增益作为速度指令。这种
21、控制方式总是存在着追踪滞后误差，这使得在拐角加工及圆弧加工时精度恶化。所谓前馈控制就是在远来的控制系统上加上速度指令的控制，这样使追踪之后误差大大减小。2.机械静止摩擦的非线性控制技术。对于一些具有较大精致摩擦的数控机床，新型的数字伺服系统具有补偿机床驱动系统静摩擦的非线性控制功能。3.伺服系统的位置环和速度环，均采用软件控制。为适应不同类型的机床，不同精度和不同速度的要求，预先调整加、减速性能。4.采用高分辨率的位置检测装置。如高分辨率的脉冲编码器，内有微处理器组成的细分电路，使得分辨率大大提高。增量位置检测为 10000P/r;绝对位置检测为1000000P/r5.补偿技术得到发展和广泛应
22、用。现代数控机床利用 CNC 数控系统的补偿功能，对伺服系统进行了多种补偿，有轴向运动误差补偿、丝杠螺距误差补偿、齿轮间隙补偿、热补偿和空间误差补偿。（三）程序编制数控机床的零件程序编制是实现数控加工的主要环节。编程技术的发展有以下几方面的特点：1.脱机编程发展到在线编程。传统的编程是脱机进行的。由手工、电子计算机长春工业大学毕业设计5以及专用编程机来完成，然后再输入给数控装置。现代的 CNC 装置有很强的存储和运算能力，把很多自动编辑机具有的功能 ，植入到数控装置里，使零件的程序编制工作可以在数控系统上在线进行，实现了人机对话。在手工操作键和彩色显示器配合下，实现程序输入、编辑、修改、删除。
23、数控系统具有了前台操作、后台编辑的前后台功能。2.具有机械加工技术中的特殊工艺方法和组合工艺方法的程序编制功能。除了具有圆切削、固定循环和图形循环外，还有宏程序设计功能、会话式自动编程、蓝图编程和实物编程功能。3.编程系统由只能处理几何信息发展到几何信息和工艺信息同时处理新阶段。新型的 CNC 数控系统中装入了小型工艺数据库，使得在线程序编制过程中，可以自动选择最佳刀具和切削用量。（四）机床主机数控机床机械结构适应数控技术的发展，采用机电一体化的总体布局。为提高生产率，一般都采用自动换刀装置，自动更换工件机构、“数控夹盘”和“数控夹具”等。为了提高数控机床的动态性能，伺服系统和机床主机进行了很
24、好的机电匹配。同时，主机进行了优化设计。（五）数控机床的检测和监督数控机床加工过程中进行检测与监督越来越普通，装有各种类型的监控、检测装置。例如红外、声反射（AE）。激光检测装置，对刀具和工件进行监测。发现工件超差、刀具磨损、破损，都能及时报警，并给予补偿，或对刀具进行调换，保证了产品质量。现代的数控机床都具有很好的故障自诊断功能及保护功能。软件限位和自动返回功能避免了加工过程中出现的特殊情况而造成工件报废和事故。（六）适应控制（Adaptive control）数控机床增加更完善的适应控制功能是数控技术发展的一个重要方向。适应控制机床是一种能随着加工过程中切削条件的变化，自动地调整切削用量，
25、实现加工过程最佳化的自动控制机床。数控机床的适应控制功能由检测单一或少数参数（如功率、扭矩或力等）进行调整的“约束适应控制”，发展到检测调控多参数的“最佳适应控制”和“学习控制”。长春工业大学毕业设计61.3 系统方案设计在本次设计过程中,动力装置采用了易于控制的伺服电机,控制方式为闭环控制,传感器采用精度较高，较为普遍的光栅尺为闭环控制的反馈元件。它的主控系统采用 Siemens 的 SINUMERIC 802C base line 控制,由流水线上的 PLC 信号作为引导。机械执行机构采用滚珠丝杠副结构完成机床的横、竖向运动。机械导向机构采用滚珠导轨与滑动导轨相结合的方式完成横、竖向导向。
26、1.4 系统内容设计1. 执行元件的选择：选择时应考虑负载能力、调速范围、运行精度等多方面要求，步进电机应用最为广泛，一般情况下，优先选用。因为步进电机控制简单，而且本次设计要求的速度不高，所以步进电机最为适合。2. 传动机构方案的选择：传动机构实质上是执行元件和执行机构之间的一个机械接口，用于对运动和力进行变换和传递。 竖直传动机构 ：通过滚珠丝杠与普通丝杠进行比较,综合考虑进给部分功能及精度要求,本次设计选择了滚珠丝杠。横向传动机构：通过水平的滚珠丝杠传递扭矩，完成工作台上夹持器的横向运动。3导向机构的选择：导向机构即导轨，主要有滑动和滚动两大类。滑动导轨结构简单、制造方便和抗振性好，利于
27、竖直导向，所以竖直导向装置采用滑动轨。而滚珠导轨精度高，导向性好，摩擦因数小，启动轻便，运动灵敏。不易爬行，寿命长，适用于水平导向及精度较高场合，所以本次设计水平导轨才用滚珠导轨。4反馈元件的选择：由于光栅尺结构简单，精度高，控制容易，易于实现长度的测量，所以选用尺状的直线位移传感器光栅尺作为反馈元件。长春工业大学毕业设计72 机械部分的设计与计算2.1 导向机构的设计导向机构 其作用是支撑和导向，为机械系统中各运动装置能到安全、准确的完成其特定方向的运动提供保障。根据导轨副之间摩擦情况，导轨可分为滑动导轨和滚动导轨。滑动导轨结构简单，制造方便个，刚度好，抗震性高。滚动导轨的导向面之间放置滚珠，滚珠或滚针等滚动体来实现两导轨无滑动地相对运动。这种导轨摩损小，寿命大，定位精度高，灵敏度好，运行平稳可靠，但对几何精度要求高，抗振性较差，防护要求高，本次设计采用了滑动导轨和滚珠导轨相结合的方式，因为滑动导轨是机械产品应用广，滚珠导轨传动精度高。2.2 执行机构的设计 2.2.1 竖向运动装置图 2-1 纵向装置传动图竖向运动装置的工作过程如下：步进电机通过联轴器，由齿轮把扭矩传递给竖直方向的滚珠丝杠，带动升降台上下运动。由于滚珠丝杠无自锁，故采用电磁制动器，当需要停止是，由电子开关控制步进电机停转，同时起动电磁制动器，对滚珠丝杠自锁，防止滚珠丝杠自动下滑，达到精确定位。
