数控车床液压系统设计

数控车床液压系统设计（精选12篇）

数控车床液压系统设计 篇1

摘要：从数控车床液压系统完成加工零件所需要的一些辅助动作,如提供加工零件的夹紧力、顶紧力以及刀盘锁紧力、油缸的换位动作及大倾斜拖板的平衡装置等方面,总结了数控车床液压系统设计可靠合理的要求和参数,并给出了典型液压系统设计的实例。

关键词：数控车床,液压系统,平衡装置,拖板,平衡阀

数控车床用于全自动加工回转体盘类、轴类等零件。零件可在一次装夹后完成回转体曲面、沟槽、镗孔、钻孔、扩孔、攻铰螺纹、车螺纹等复杂工序,并要求效率高、可靠性强等特点。数控车床液压系统是加工中心铣、钻、镗类机床中的一个典型部件。

1 数控车床对液压系统的要求

数控车床液压系统同液压机、磨床、工程机械液压系统相比有其特定之处,主要完成加工零件所需的一些辅助动作。

数控车床液压系统所承担的辅助动作所需力及流量变化较小,主要负载是提供加工零件的夹紧力、顶紧力以及刀盘的锁紧力和一些油缸换位动作及大倾斜角度拖板的平衡。为满足上述功能,一般采用中低压系统,压力在7MPa以下,液压系统流量一般在0.5×10-3m3/s(30l/min)以下。

2 数控车床液压系统的主要动作

a) 工件的夹紧、松开:数控车床因其工件在高速旋转中进行切削加工,故对工件的可靠夹紧有其特殊的要求,并要保证在特殊情况下如:机床切削过程中出现故障、突然停电等情况下,工件被可靠夹持。因此对其工件夹紧液压装置在安全可靠性方面需有多重保护装置。

工件的夹持通常通过液压旋转油缸提供。轴向推拉力经拉杆连接到动力卡盘上,并经斜楔机构等将轴向力放大成夹紧工件的径向夹紧力。详见示意图1。

b) 工件的轴向顶紧:数控车床加工轴类零件其长径比超过3倍时,根据零件的加工要求,一般需用活动顶尖顶紧工件,以加强工件的刚性,防止在切削过程中发生振动。数控车床为体现其高效、自动化,尾座套筒的伸缩与普通车床有所不同。普车套筒伸缩由手动完成,数控车床尾座套筒的伸缩一般通过液压油缸推动套筒来实现。

c) 工件的径向辅助支承:车床加工细长轴时,为保证切削的顺利进行,一般需在工件中间加装中心架。普车的中心架通常为手动来完成工件的支承;数控车床的中心架大多采用液压自定心中心架。

d) 拖板的平衡:数控车床的刀台、刀盘、小拖板等联成一体,由x轴滚珠丝杠通过伺服电动机带动而上下移动。当小拖板倾斜角度>45°时,为保证零件加工精度,减小滚珠丝杠的轴向受力,整个小拖板运动部分的质量所产生的下滑力,需采用平衡法加以处理。小拖板的平衡可由配重法,溢流阀、减压阀或平衡阀加平衡油缸来实现。详见图2和图3。

采用溢流阀、减压阀平衡重量时,由溢流阀的启闭特性、响应性及两阀的其余各项静、动态性能可知其平衡效果不很理想。而平衡阀兼具有两重性于一体,大大改善了工作特性。平衡阀一般选用先导式平衡阀,主阀为滑阀式

结构,详见图4(a),图4(b)。工作原理详见图5。数控机床在加工时,小拖板向上移动,带动平衡油缸中的活塞向上移动,平衡阀工作状况如图5(a)所示,此时C口压力未到达设定压力,滑阀在弹簧力的作用下处于图示位置,阀口A开启,压力油由P口到C口,平衡缸油腔补油。当小拖板在x轴方向无运动时,即活塞停止时的工况,平衡阀工况见图5(b),当C口压力达到设定压力后,导阀开启,滑阀上的节流孔使滑阀两端产生压差,滑阀左移减压,直至阀口A关闭;若泄漏使C口压力下降,则滑阀右移,P口向C口供油,从而使C口压力恒定,达到平衡状态。当小拖板向下移动时,带动平衡油缸活塞向下移动,平衡阀工况见图5(c),此时由于油缸加上外负载,C口压力大于设定压力,滑阀两端压差增大,滑阀左移到图示位置,阀口B打开,油液由C口流向O口,从而降低油缸油腔压力。

为了使平衡效果达到最佳,要求平衡油缸启动压力小,活塞运动灵活,且油缸静动磨擦力小。活塞密封采用格来圈,以保证有效、可靠、低磨擦,采用斯来圈,使其具有极佳的耐磨损与滑动性能,没有忽阻忽滑的毛病,亦即尽可能地消除爬行现象,保证x轴加工零件时上下运动位置精度的准确性。

3 液压系统的其他要求

数控机床对整个液压系统的要求是外观整齐,易于调整维修,在部分管路中需设置压力表,测压接点;油路管道排列整齐,至各个运动部件的液压软管,为防止损伤应尽可能采用管道防护导套。液压泵站在正常工作中,为保证液压油的工作特性,要求系统油温不得超过60℃,从开机至泵站热平衡温升不得超过30℃,泵站噪声不得超过72dB(A)。

4 典型数控车床液压系统举例

下面以图6某型数控车床液压系统为例,对其组成及工作中的调整加以简要说明。

a) 液压系统泵站运动时序:打开机床电源,启动电动

机1,变量叶片泵2运转,溢流阀3起安全阀作用,调节变量泵2,使其输出压力到达5MPa,并将安全阀6调至6MPa,以确保限压式变量叶片泵在限压失效时起溢流安全阀作用。泵站上同时装有液位计和压力管路滤油器4,滤油器过滤精度为10μm,当压力管路滤油器进出口压差>0.3MPa时,机床电器系统报警。

b) 工件夹紧:数控车床切削工件通过动力卡盘夹紧,在高速液压旋转油缸规格确定后,其夹紧方式(正夹、反撑)和夹紧力的大小通过压力口减压阀5和电磁换向阀6和手动转位阀7(在油管不变的情况下实现夹与撑工件的切换)完成,压力继电器8用以检测工作压力达到设定值后,主轴方能旋转,以确保工件被可靠夹持。液压锁9确保意外故障等情况下油缸两腔油被困,确定工件不松脱,起安全保障锁作用。

c) 工件轴向顶紧和中心辅助支承:数控车床加工细长轴时经常采用中心架支承或跟刀架支承,轴向由尾顶针顶紧,以确定工件加工刚性和精度。执行动作分别由换向阀10和12完成。力的大小控制分别由减压阀11和13来调整。压力继电器12、14则分别检测工件是否被可靠支承和轴向顶紧。

d) 尾架的紧固与移动:当尾架体需在工件加工过程中进行z轴前后移动时,可由多种方式实现。尾架体实现与拖板耦合,由z向丝杠带动前后移动为其之一。阀16控制尾架体与拖板耦合、分离同时通过薄膜油缸实现尾架体与尾架导轨的松开、夹紧。当尾架体与拖板分离,薄膜油缸实现尾架体与导轨的夹紧后,压力继电器18发讯,此时尾架套筒伸出顶紧工件。

e) 液压平衡装置的调整:此处溢流阀21起安全阀作用,调至平衡压力的1.2倍。调整平衡压力时,调节平衡阀22的先导阀,在x轴伺服电机上接测量电流装置,使得小拖板上、下移动时测得电流值相近,变化最小,则表示平衡油缸处于最佳工作状态。

f) 主轴变速:当主轴变速箱需换档变速时,主轴处于低速状态;通过阀19完成高低速之间的转换。油缸移动速度由双单向节流阀20调节。

g) 刀盘的换位与锁紧:采用液压马达实现刀盘换位是数控车床刀盘换位中常见的方式之一。换向阀23控制刀架端面齿盘的啮合与分离,阀24完成刀盘逻辑就近换位(即液压马达的正、反转),液控节流调速阀25通过阀26的左右换位来控制刀盘旋转时快速和慢速,以节省换位时间并确保到位时的减速,防止刀盘越位和端齿盘啮合时的冲击,确保换位的正确性和定位精度。

5 液压系统元件的选择a) 液压泵的选择

1) 确定液压泵的最大工作压力Pp:液压泵的最大工作压力Pp由下式确定:

Pp≥P1+∑ΔP(MPa)

式中:P1 ——工作元件的最大工作压力(进口);

ΔP ——由泵出口到工作元件进口之间的管路沿程阻力损失和局部阻力损失之和。

一般选用最大工作压力为7.0MPa的液压泵。

2) 确定液压泵的流量Qp

液压泵系统中使用蓄能器,液压泵流量按系统在一个循环周期中的平均流量选取。即:

undefined

式中:Ui——液压缸(马达)在工作周期中的总耗油量,m3;

Ti ——数控车床的工作周期,s;

Z ——执行元件(液压缸、马达)的个数。

一般选用限压式变量叶片泵,以实现节能、降低温升。

b) 控制阀的选择:选择依据为额定压力、最大流量、 动作方式、安装固定方式、压力损失数值、工作性能参数和工作寿命等。根据数控车床上用控制阀其流量小,普遍选用具备国际标准连接尺寸的各类6通径的叠加式压力阀、流量阀和方向阀。

c) 管道的选择:选择管道主要根据压力损失、发热量和液压冲击,合理确定管道内径、壁厚和材料往往根据已定的元件的连接口来确定管道尺寸。一般选用外径为6,8,10,12,14壁厚为1mm冷拔无缝钢管及其相应的液压软管。

d) 确定油箱容量:合理确定油箱容量是保证液压系统正常工作的重要条件。

数控车床油箱容量一般按经验公式选定:

V=α·Q

式中:Q——液压箱的总额定流量,l/min;

α——经验系数,中压系统:α=5～7;

并根据国家标准确定液压泵站油箱公称容量。

f) 滤油器的选择:根据其承受压力能力、过滤精度、通流能力、阻力压降、安装方式确定其型号,一般过滤精度在10～15μm等级。选用压力管路滤油器或回油管路滤油器。

液压油一般选用机械油或精密机床液压油,由其工作环境等要求确定。

后置在倾斜角度(>45°)拖板的平衡若采用平衡阀加平衡油缸,一般选用日本东京计器的BLG型先导式平衡阀或德国Rexroth公司生产的3DR10P2-40/25YOOM2型平衡阀或日本油研公司生产的RBG-03-10。

参考文献

[1]徐灏.机械设计手册[M].五卷.北京:机械工业出版社,1988.

[2]卢光贤.机床液压传动与控制[M].西安:西北工业大学出版社,2002.

数控车床液压系统设计 篇2

摘要

本次毕业设计的题目是数控回转工作台及其闭环控制系统的设计。本课题主要介绍了数控回转工作台的原理和机械结构的设计，这种回转工作台是一种可以实现圆周进给和精确分度运动的工作台，它主要由原动力、齿轮传动、蜗杆传动、工作台等几部分组成，是一种很实用的加工工具。它常被用于卧式镗床和加工中心上，它可提高加工效率，完成更多的工艺。通过本次对数控回转工作台及其闭环控制系统的设计，使我们不仅能够设计出数控回转工作台，而且能够掌握机械设计的方法和步骤。本课题的主要内容包括：确定数控回转工作台的传动方案；驱动力的计算及其它相关计算；机械零件的设计与校核；通过AUTOCAD绘制装配图和零件图。

数控机床的圆周进给是由回转工作台完成的，回转工作台可以与X轴、Y轴、Z轴三个坐标轴联动，从而加工出球面、圆弧曲面等复杂曲面。数控回转工作台可以实现精确的自动分度，从而扩大了数控机床的加工范围。随着数控技术越来越广泛的应用，数控回转工作台的发展已成为历史的必然。关键字：数控回转工作台,齿轮传动,蜗杆传动,数控技术

-I

A b s t r a c t

-III

目录

3.4.1 选择蜗杆传动类型...................................................................15 3.4.2 选择材料..................................................................................15 3.4.3 按齿面接触疲劳强度进行校核.................................................16 3.4.4 蜗杆与蜗轮的主要尺寸与参数………………………………… 18 3.5 轴承的选用....................................................................................................17 3.5.1轴承寿命的验算…………………………………………………… 19 3.5.2轴承游隙调整……………………………………………………..19

3.5.3 滚动轴承的配合………………………………………………………

3.5.4 滚动轴承的润滑………………………………………………………

3.5.5 滚动轴承的密封装置…………………………………………………

3.6 轴的校核与计算…………………………………………………………..22 3.6.1 轴一的校核与计算………………………………………………..22 3.6.2 轴二的校核与计算………………………………………………..25 3.7 夹紧机构的校核与计算…………………………………………………….3.8 齿轮上键的选择与计算…………………………………………………..第四章 控制系统的设计............................................................................27 4.1 CPU板............................................................................................................27 4.1.1 CPU的选择...............................................................................27 4.1.2 CPU接口设计...........................................................................28 4.2 驱动系统和人机界面....................................................................................28 结论...........................................................................................................29 参考文献...................................................................................................30 致谢及声明...................................................................................................31

-V

第一章

引

言

第一章 引 言

1.1 本课题的背景和意义

2010年在北京举办的第11届中国国际机床展览会上，数控机床、加工中心、复合机床等装备在制造业内已呈现出量大面广的态势，这类工作母机在各类制造业已经得到广泛普及，清晰地表达出了时代特征和发展潮流。机床运动不管是并联运动机床，还是运动叠加的串联机床，对大多数金属加工机床来说，数控进给复合运动的加工，都是以直线轴加上回转轴的联动来实现的。为了应对日益增多的复杂零件加工、提高加工的精度和效率，多轴机床和复合机床需要进一步的创新发展。因此，在现代加工中心的开发中，数控回转工作台的设计与制造便成为了研制机床部件的核心任务之一，而数控回转工作台，同时起着承载工作重量、夹持工件的功能，因此要非常重视其创新设计。

但是，在中国数控回转工作台的产业发展中也出现了很多的问题，情况并不容乐观，如产业结构不合理，产业还集中于劳动力密集型得产品；技术密集型产品明显落后于西方发达国家；生产要素的决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源的破坏力大；企业的总体规模还偏小、技术创新能力比较薄弱、管理水品也相对比较落后等。

从什么角度剖析中国数控回转工作台产业的发展状况？用什么方式评价中国数控回转工作台产业的发展程度？如何定位中国数控回转工作台产业的发展方向和前景？中国数控回转工作台产业发展与当前的经济热点问题关联度如何？此类问题，都是数控回转工作台产业发展中必须面对和解决的。中国数控回转工作台产业已经发展到了岔口：中国数控回转工作台生产企业急需选择发展的方向。

中国数控回转工作台产业发展研究报告阐述了世界数控回转工作台产业的发展历程，分析了中国数控回转工作台产业的发展现状和差距，开创性的提出了“新型的数控回转工作台产业”及其替代品产业概念，在此基础上，从而从四个方面即“以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确界定了“新型的数控回转工作台产业”及其替代产品的内涵。根据“新型的数控回转工

第一章

引

言

1.3 数控回转工作台的原理与特点

数控回转工作台的使用，为加工中心和数控铣床提供了回转的坐标，通过第四轴、第五轴驱动转台完成等分、不等分或连续的回转加工，加工出复杂的曲面，使机床原有的加工范围得以扩大。数控回转工作台未来的发展方向是：在规格上向两头延伸，也就是开发小规格与大规格的转台以及相关的制造技术；在其性能方面将进一步提高刹紧力矩、提高主轴转速，向可靠性的方面发展。数控机床的圆周进给由数控回转工作台来完成，被称为数控机床的第四轴：回转工作台可以与X轴、Y轴、Z轴三个坐标轴联动，以加工出球、圆弧曲线等复杂曲面。回转工作台可以实现精确的自动分度，使数控机床的加工范围得以扩大。数控回转工作台主要用于数控镗床与铣床，其外形和通用工作台相似，不过它的驱动是伺服系统的驱动方式。它可以与其他伺服进给的轴联动。为自动换刀数控镗床的回转工作台。它的进给、分度转位和定位锁紧都是以给定的程序指令进行控制的。数控转台的发展方向是：在规格上向两头延伸，也就是开发小型转台和大型转台；在性能上将研制以青铜为材料的蜗轮，大幅度的提高工作台转速以及转台的承载能力；在形式上继续研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台。机床工具行业的发展，依赖于行业技术整体水平和创新能力的提高，依赖于机床的数控化和产品的升级换代，依赖于制造业从刚性自动化向柔性自动化方向转变的这一社会需求，由于我国机床附件厂资金紧张的原因，造成技术创新和技术改造的力度不大，致使附件水平的发展严重滞后，从而成为制约民族机床工业发展的瓶颈。国产配套件在产品质量、性能、结构创新、品牌信誉、精度稳定性等方面与西方发达国家相比都存在一定的差距，但在产品的价格、交货期和售后服务上占有比较大的优势。另外，近几年台湾地区的数控附件产品明显加大了对大陆市场的开发力度，使国内市场竞争态势日趋激烈。在今后几年中，我国机床附件厂要发展中档次品种，在提高产品质量、性能水平与可靠性的同时，也要跟踪学习西方发达国家的先进技术，并在产品创新下功夫；总结经验，加强产、学、研的结合，走专业化生产的路子，面向市场，积极参与竞争以满足主机发展的需要。

第二章

数控回转工作台的原理与应用

渐增厚。但因为同一侧的螺距是相同的所以仍然可以保持正常的啮合。当工作台静止时转台必须处于锁紧状态。为此在蜗轮底部的辐射方向上有4对夹紧瓦并在底座上均布同样数量的小液压缸。当小液压缸的上腔接通压力油时活塞便压向钢球撑开夹紧瓦从而夹紧蜗轮。在工作台需要回转时，需先使小液压缸的上腔接通回油路，在弹簧的作用下钢球抬起夹紧瓦将蜗轮松开。转台的导轨面是由大型的滚柱轴承支承并由深沟球轴承、双列推力球轴承及双列圆柱滚子轴承保持准确的回转中心。数控回转工作台的定位精度主要取决于蜗杆副的传动精度因此必须采用高精度的蜗杆副。在半闭环控制系统中可以在实际测量工作台的静态定位误差之后确定需要补偿角度的位置以及补偿值，将其记忆在补偿回路中由数控装置进行误差补偿。在全闭环控制系统中由高精度的圆光栅发出工作台精确到位信号反馈给数控装置进行控制。转台设有零点，当它作回零运动时先用挡铁压下限位开关使工作台降速然后由圆光栅或编码器发出零位信号使工作台精确地停在零位。数控回转工作台可以作任意角度的回转和分度也可以作连续的回转进给运动。数控回转工作台的具体结构如图2-1所示。

2.2 设计准则

本课题的设计准则：

1）分析转台的原理和性能；

2）创造性的利用所需要的物理性能； 3）预测机床意外载荷； 4）判别功能载荷和意义；

5）提高合理应力分布以及刚度； 6）创造有利载荷条件；

7）应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸； 8）重量要合理；

9）零件与整体零件之间精度适宜； 10）根据性能组合选择材料； 11）功能设计应适应制造工艺； 12）降低制造成本。

第三章

数控回转工作台的设计

第三章 数控回转工作台的设计

3.1 传动方案的选择

3.1.1 传动方案传动时应满足的要求

此次设计的数控回转工作台主要由原动机、传动装置和转台组成，传动装置是在原动机和转台之间传递运动和动力的，可实现精准地分度运动。合理的传动方案应满足以下要求：

（1）机械功能的要求：应满足工作台的功率和运动形式的要求；（2）工作条件的要求：满足工作环境和工作制度要求；（3）工作性能要求：应该保证该转台工作可靠、传动效率高；

（4）结构工艺性要求：要满足结构简单、尺寸紧凑、使用维护方便、经济性合理等要求。

3.1.2 传动方案及其分析

如图3-1的传动方案所示，数控回转工作台的传动方案：一级传动为齿轮减速传动，二级传动为蜗轮蜗杆传动。

图3-1 传动方案

数控回转工作台的传动方案路线为：交流伺服电机—齿轮减速传动—蜗杆传动—数控回转工作台。

第三章

数控回转工作台的设计

度，从而实现位移，因此，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，与伺服电机接受的脉冲形成了呼应，因此称为闭环，这样一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又回收了多少脉冲，如此，就能够很精确的控制电机的转动，因此，可以实现精确定位。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便，产生电磁干扰，对环境有要求。它一般用于对成本敏感的普通工业以及民用场合。

无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机无需维护，效率高，运行温度低，电磁辐射小，寿命长，适用于各种环境。

2.交流伺服电机是无刷电机，可以分为同步与异步电机，目前的运动控制中一般都采用同步电机，它的功率范围很大，可以得到很大的功率。惯量大，最高的转动速度低，并且随着功率的增大而快速的降低。因此，适合于做低速平稳运行的应用。

3.伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成了电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时，电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，从而，调整转子转动的角度。伺服电机的精度由编码器的精度决定。

3.2.2 伺服电机的选择及运动参数的计算

伺服电机的额定功率应等于或稍大于工作要中求的功率。如果额定功率小于工作中的要求，则不能保证工作机器正常工作，或是电机长期过载、发热大而过早损坏；假如额定功率过大，则电机价格高，由于效率和功率因数低而造成浪费。工作所需功率为：Pw=FwVw/1000w Pw=Tnw/9550w

式中T=150NM,nw36rmin，电机工作效率w=0.97代入上式得

Pw15036/(95500.97)0.57KW

电机所需的输出功率为：Po=Pw/

第三章

数控回转工作台的设计

常生活中用的手表、电扇等都要使用各种各样的齿轮。齿轮的种类很多，有圆柱直齿轮、圆柱斜齿轮、螺旋齿轮、直齿伞齿轮、螺旋伞齿轮、蜗轮等。其中使用较多，亦较简单的是圆柱直齿轮，又称标准圆柱齿轮。

直齿圆柱齿轮啮合时，齿面的接触线均平行于齿轮的轴线。因此轮齿是沿整个齿宽同时进入啮合、同时脱离啮合的，载荷沿齿宽突然加上及卸下因此直齿圆柱齿轮传动的平稳性差，容易产生噪音和冲击，因此不适合应用于高速以及重载的传动中。

根据GB/T10085—1988的推荐，本次毕业设计采用的均为直齿圆柱齿轮。

3.3.2 齿轮材料的选择原则

齿轮材料选择的基本原则：

1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。例如，用于飞行器上的齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，因此必须选择机械性能高的合金银；矿山机械中的齿轮传动，一般功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高，因此往往选择铸钢或铸铁等材料；家用及办公用机械的功率很小，但要求传动平稳、低噪声或无噪声、以及能在少润滑或无润滑状态下正常工作，因此常选用工程塑料作为齿轮材料。总之，工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。

2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用锻造毛坯，可选择锻钢制作。尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢作毛坯。

齿轮表面硬化的方法有：渗碳、氨化和表面淬火。采用渗碳上艺时，应选用低碳钢或低碳含金钢作齿轮材料；氨化钢和调质钢能采用氮化工艺；采用表面淬火时，对材料没有特别的要求。

3）正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。

4）合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。

第三章

数控回转工作台的设计

m=1.25mm。

3）计算齿轮传动中心距：am(z1z2)270mm,中心距尺寸的尾数应为0或5。

4）计算齿轮的几何参数：分度圆直径：d1mz145mm，d2mz288mm；齿宽：bdd120mm，取b2=20mm,b1=15mm。齿顶圆直径：da1m(z12ha)=48mm，da2m(z22ha)=90mm；齿根圆直径：df1m(z12ha2c)=40mm；df2m(z22ha2c)=83mm。基圆直径db1d1cosd1cos20o42.3mm；db2d2cosd2cos20o82.7mm。

（4）校核齿轮传动的弯曲疲劳强度

查图16-25取标准齿轮（x=0）的复合齿形系数YFS1=4.2,YFS2=3.96;按式（16-23）验算齿根弯曲疲劳强度

2KT1YFS211071944.2MPa85.25MPaF1

F1d1bm45652.5Y3.96MPa80.38MPaF2

F2F1FS285.25YFS14.2经验算，齿根弯曲疲劳强度满足要求，故合格。

（5）计算齿轮的圆周速度，确定齿轮精度

齿轮的圆周速度为 d1n13.1445980

vms3.53ms

601000601000

查表16-7，根据圆周速度v=3.53ms,取该齿轮传动为8级精度。

（6）绘制齿轮零件图3-2和图3-3。

3.3.4 结构设计

根据齿轮的尺寸查机械设计手册表3.7—31得出小齿轮为实心齿轮，大齿轮为孔板式齿轮。结构图如下图所示：

第三章

数控回转工作台的设计

3.4 蜗轮与蜗杆的选用与校核

3.4.1 选择蜗杆传动类型

由于本次传动场合为机床上的工作台，整体传动要求传动精度高，同时蜗杆副存在传动间隙，因此采用了双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置调整间隙。根据整体传动比需要设计比较大，蜗轮蜗杆的整体传动比也比较大，蜗杆采用单头蜗杆，为了工作台在工作中受力平衡与工作平衡，蜗杆的旋向采用右旋。

3.4.2 选择材料

由于考虑到蜗杆传动效率不大，而且速度只是中等，故蜗杆用45号钢；为达到更高的效率和更好的耐磨性，要求蜗杆螺旋齿面淬火，硬度为45-55HRC。蜗轮用铸锡磷青铜Zcusn10Pb1，金属铸造。为了节约贵重的有色金属材料，此处的齿圈用青铜制造。

3.4.3 按齿面接触疲劳强度进行校核

根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距：

a3kT2(ZEZPH)2(2-5)（1）确定作用在蜗轮上的转距T2 按Z1=2，估取效率η=0.8，则:T2Ti153.4Nmm（2）确定载荷系数K 因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数Kβ=1；由表选取使用系数KA=1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数KV=1.1；则

KKAKKV11.151.11.2651.27

（3）确定弹性影响系数ZE

第三章

数控回转工作台的设计

δH1.531.27170402.310.9773429MPa

451552.5tanr

tan(r)验算效率 (0.95~0.96)已知r=19.45oarctanfv;fv 与相对滑动速度Vs有关 Vs=d1n1601000cosr35.51400601000cos19.54o2.76ms

从表中用插值法查的fv=0.0238;1.759o,代入式中得0.89~0.90，所以弯曲强度是满足要求的。

3.4.4 蜗杆与蜗轮的主要尺寸与参数

直径系数q=12；分度圆直径d1=42mm，蜗杆头数Z1=1；分度圆导程角

zm=arctan14.7o,齿形角20o;

d1蜗杆轴向齿距：PA=394mm；

蜗杆齿顶圆直径：da1d12ham50.4mm 蜗杆轴向齿厚：Sa12m=5.5mm 蜗轮：

Z2=120 Z1蜗轮齿数: Z2 =2a/m-q=120，变位系数Χ=0 蜗轮分度圆直径: d2mz23.5120=420mm 蜗轮喉圆直径: da2d22m=420+7=427mm

*传动比: i=蜗轮喉母圆直径: dg22ada2=462-432mm=30mm 蜗轮齿根圆直径： df2d22m(1.16X2)=415mm 蜗轮齿顶圆直径： de2d220.5m=425mm 蜗轮轮缘宽度： B=0.45（d1+6m）=20mm

3.5 轴承的选用

轴承是各种机械设备中的重要支撑件，其功能是支承轴或是轴上的零

第三章

数控回转工作台的设计

3.5.1 轴承寿命的验算

1．求比值 Fa27000.49 Fb5500根据表13-5，深沟球轴承的最大e值为0.44，故此时

Fae。Fb2．初步计算当量动载荷P,根据式(13-8a)Pfp(XFrYFa)

按照表13-6fp1.0~1.2，取fp=1.2。

按照表13-5，X=0.56,Y值需在已知型号和基本额定静载荷Co后才能求出。现暂选一近似中间值，取Y=1.5，则

P1.2(0.5655001.52700)N8556N

3.根据式（13-6），求轴承应有的基本额定动载荷值

60nLh60125050008556N61699N C=P1061064.按照轴承样本或设计手册选择C=61800N的6310轴承 此轴承的基本额定载荷Co=38000N.验算如下：

Fa27001）求相对轴向对应的e值与Y值。相对轴向载荷为0.07105，Co38000在表中介于0.07-0.13之间，对应的e值为0.27-0.31，Y值为1.6-1.4。2）用线性插值法求Y值。

(1.61.4)(0.130.07105)Y=1.4+1.579

0.130.07 X=0.56, Y=1.579 3)求当量动载荷Po P=1.2(0.5655001.5792700)8870.28N 4)验算6009轴承的寿命，根据式（13-5）

106C106618003()()h7000h5000h

Lh60nP6012508870.28即高于其计算寿命。故该对轴承适用。

3.5.2 轴承的游隙的调整

轴承的游隙通过预紧时靠端盖下的垫片来调整的，这样比较方便。

3.5.3 滚动轴承的配合

滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔于轴的配合采

第三章

数控回转工作台的设计

3.5.5 滚动轴承的密封装置

密封对轴承来说是不可缺少的。密封既可以防止润滑剂的泄露，也可以防止外界有害异物的侵入。否则会引起轴承滚道的磨粒磨损，降低轴承的使用寿命，还可能使轴承零件受到有害气体和水分的锈蚀，加速润滑剂老化。因此，轴承的密封装置是轴承系统的重要设计环节。设计时应考虑能达到长期密封和防尘的作用，同时要求摩擦和安装误差小，拆卸、装配方便，维修保养简单。

密封装置可分为静密封（固定密封）和动密封（转动密封）两种，前者称为垫圈密封，后者称为密封圈密封。按密封的结构形式又可分为接触式密封和非接触式密封。

接触式密封是密封装置和密封部位间存在着贴合压力的直接接触。因此接触式密封装置的接触形式、贴合压力、润滑状态、滑动速度以及相接触处的表面加工质量等因素都会直接影响到轴承摩擦力容许转速及温升。所有接触式密封装置在运转使用过程中会发生磨损，其磨损和失效的程度与接触式密封装置本身性能及使用条件有关。

非接触式密封就是密封装置和所需密封部位间不发生直接接触。由于非接触式密封装置中的密封间隙处，除了存在润滑剂摩擦外均不会出现任何其他的摩擦，因此非接触式密封不会产生磨损，使用时间较长也不会产生明显的热量，可适用于转速较高的地方。但密封的间隙也不能过大，否则起不到密封效果。

轴承的密封装置可以设置在轴承的支承部位，也可以设置在轴承上，前者为支承密封，后者为自身密封。

此处采用的是接触式密封，唇形密封圈。

唇形密封圈靠弯折了的橡胶的弹性力和附加的环行螺旋弹簧的紧扣作用而套紧在轴上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要紧密封的部位。即如果是为了油封，密封唇应朝内；如果主要是为了防止外物浸入，蜜蜂唇应朝外。

3.6 轴的校核与计算

轴是组成机器的重要零件之一。轴的主要功能是支撑齿轮或带轮等传动零件和轴上其他零件，并传递运动和动力。同时，它又通过轴承被支撑在机架上。轴

第三章

数控回转工作台的设计

2T2350167N476N6 d273tantan20o4666N1748N

蜗轮的径向力

FrFrocoscos121520

蜗轮的轴向力

Fa=Fttan4666tan12o1520N1015N

蜗轮的圆周力

Ft2

3)计算支反力及弯矩。根据图b所示的受力关系绘制垂直平面内的受力简图，如图c所示。求支反力：由MB0,得

Fr59FAV118Fad20

Fr59Fad217385910142732所以 FAVN88N

118118由FV0, 得FBVFrFAV1738(-98)N1866N

求垂直平面各截面的弯矩。对轴的各截面受力状态分析可知，传动力作用点所承受的弯矩最大，对该截面设定为I-I截面；此外，轴段3上承受了较大弯矩的部位是与轴段4连接的直径变化处，对该界面设定为截面。上述两截面是需要校核的两个截面。

； 截面：MIV左9859Nmm5682Nmm

MIV右=183659Nmm108326Nmm

截面：MV1836(5933)Nmm47766Nmm

根据上述计算结果绘制垂直平面内的弯矩图，如图C所示。

计算水平平面内的支反力及弯矩。根据图b所示的受力关系绘制水平平面内的受力图，如图d所示。

求支反力：；由MB0,得

如图d所示，传动力Ft布置于两支反力的中间，且距离相等，故

Ft4666

FAHFBHN2363N

22求垂直平面各截面的弯矩。

截面：MIH233359Nmm=137667Nmm

截面：MV2333(5933)Nmm60668Nmm 求各剖面的合成弯矩。I-I截面：MI左=M2IVM2IH (-5782)21376472Nmm137668Nmm

MI右=M2IVM2IH10832421376472Nmm175259Nmm 截面：

第三章

数控回转工作台的设计

3.6.2 轴二的校核与计算

轴二即蜗杆轴的校核与计算方法与轴一相同，经校验该轴符合要求。

3.7 夹紧机构的校核与计算

在本次设计中采用液压缸作为转台的夹紧机构，液压缸又被称为油缸，它是液压系统中的执行元件，其功能就是将液压能转换成直线往复式或摆动式的机械运动。液压传动具有很多优点：

1、工作比较平稳，反应快，冲击小，可以高速启动；

2、液压缸的体积小，重量轻，惯性小，结构紧凑，能够输出较大的力；

3、控制调节方便，便于实现自动化；4由于功率损失所产生的热量可由流动的油带走，因此，可避免在系统某些局部位置所产生的过度温升。

单个油缸的尺寸计算：

1、活塞：

第三章

数控回转工作台的设计

选A型平键 根据直径d=15mm和轮毂宽度15mm，从表21-1中查的键的截面尺寸为b=5mm，h=5mm，l=10mm，此键的标记为：

键 55 GB 1096-90（2）校核挤压强度

p4Tdhlp L=L-B=(10-5)mm=5mm T=525250Nmm，由表21-2查的许用挤压用力为p=（100-120）Mpa 则p452525015510MPa79.8MPap，故挤压强度足够。电机外伸轴上的半圆键为 键 C315 GB 1096-79 其校核方式和蜗杆轴上的键相同，经校核强度足够。

第四章

控制系统的设计

0、定位器中断1）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O接口共有32个。

4.1.2 CPU接口设计

CPU接口部分示意图如4—1所示：

图4—1 AT89C51需要完成的任务：

（1）将行程开关的状态读入CPU,通过中断进行处理，它的优先级别最高。（2）通过程序实时控制电机和电磁阀的运行。

（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互的作用。AT89C51的I/O接口按以下方式分配： 1）2）3）4）P0口通过锁存器741S373控制七段数码管的段； P1口通过扫描矩阵键盘获取外部指令； P3口控制七段数码管的位的选择；

P4口用于反馈回路的信号输入（光栅）、电磁阀驱动、急停信号等。

4.2 驱动系统和人机界面

传动驱动部分包括交流伺服电机和电磁阀的驱动，交流伺服电机必须满足快速急停、定位和退刀时可以快速运行、工作时能带动工作台并克服外力并按照指令的速度运行。在定位和退刀时夹紧机构放松。

人机界面的设计准则为：要有良好的人机交互能力，要求操作方便。此系统中的八个数码管前四个可以显示键盘输入的数据等指令，后四个可以记下工作台的显示光栅反馈给单片机的位置信号，并将角度位移显示出来。

致谢及声明

致

谢

衷心感谢导师杨教授对本人的精心指导。在此次毕业设计中，由于我所学知识过于繁杂，而且不精，不够系统，所以在做毕业设计时总是会有茫然的感觉，往往遇到问题时就会向老师请教，老师也总是不厌其烦地给我讲解，给我启发，让我知道该怎么去解决所遇到的问题，慢慢得，我学会了如何独立的去解决问题。记得每次去见老师，让老师检查我们所做的东西，老师往往要在电脑前坐好几个小时给我们指点设计中的不足。真诚地感谢杨老师的辛勤付出！

数控车床液压系统设计 篇3

摘 要：轧辊作为生产工艺过程中的一个重要环节，决定了轧机的效率和轧材的质量，轧辊车床是用于生产轧辊的设备，由于普通轧辊车床采用继电器控制，需要大量人力和物力，效率较低，数控轧辊车床能够解决这一问题。文章首先对数控轧辊车床的基本原理进行了阐述，在此基础上对数控轧辊车床进行了硬件设计，数控系统采用西门子公司的840D系统，选用S7-300 PLC实现外部数字量控制，主轴驱动系统采用模数转换器ADI4和直流伺服驱动器6RA70组合，刀架和托板系统采用611D数字驱动模块和IFT6交流伺服电机。软件上通过对于MMC软件系统、NC软件系统、PLC软件系统和通信及驱动接口软件进行设置，运用STEP 7-Micro/WIN软件对PLC进行梯形图的编程，通过PC/PPI通信电缆将程序下载到PLC中，最终完成了系统的控制要求。

关键词：数控轧辊；840D系统；S7-300

中图分类号：TG596 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）18-0007-02

1 轧辊的分类及用途

轧辊在生产工艺过程中是非常重要的一个环节，通过轧辊可以使金属产生塑性变形，它是决定轧机的效率和轧材质量的重要消耗部件。

1.1 轧辊的分类

当钢材通过一对轧辊机器的压力后，能够使钢材特性变得均匀，能够承受轧制时的动载荷、摩擦和温度的影响。

轧辊有很多种分类方法，按照辊身形状可以分为非圆柱形和圆柱形两种，非圆柱形用于管材生产，而圆柱形多用于板材、带材和线材生产；按照是否与工件接触可以分为支撑轧辊和工作轧辊，支撑轧辊主要置于工件侧面，起支撑作用，并能够增加工作轧辊的刚度和强度，工作轧辊是与轧件直接接触的。

按照轧材品种的不同，可以分为板带轧辊、线性轧辊和轨梁轧辊；按照轧件状态可以分为热轧辊和冷轧辊。

1.2 轧辊的用途

轧辊车床用于加工轧辊，属于重型机械加工装备，广泛应用于钢铁、橡胶、造纸、冶金等行业。根据驱动方式的不同，可以分为普通驱动轧辊车床和数字化驱动轧辊车床。普通轧辊车床采用传统的继电器控制，且加工困难，需要大量的人力和物力，降低了效率。数控轧辊车床以数字控制为基础，实现高度自动化，提高了效率，降低了成本，它涉及机械加工、电气自动化控制、液压控制一体化、机械传动等领域，工作柔性大、操作方便，但故障判断和排出相对比较困难。现在数控轧辊车床已经被广泛使用。为了适应轧辊产量的高速增长，对轧辊制造工艺提出了更高的要求。本文针对轧辊制造的稳定性和高效性的特点，设计一套基于西门子840D数控系统为控制核心，配以S7-300PLC电气控制模块，6RA70和AD4I组成的直流主轴伺服驱动系统，611D和IFT6组成的用于刀架和托板系统的交流伺服驱动系统，再通过软件编程调试，最终完成本系统的设计。

2 数控轧辊车床的基本概述

在机械制造中，加工轧辊对设备的要求非常高，加工也相当困难，随着机械行业自动化程度的不断提高以及数字化和智能化的发展，大大推动了数控轧辊车床的发展，在加工轧辊设备中占的比例也越来越大，提高了轧辊加工的工作效率，因此数控轧辊车床对于轧辊的制造具有巨大的推进作用。

数控轧辊车床主要由四部分组成：控制介质、数控系统、伺服系统和机床本体。

控制介质反映了数控加工的全部信息，起到了人与数控轧辊车床之间桥梁的作用；数控系统是控制核心部分，主要由四部分组成：监视器、主控系统、可编程控制器和输入输出接口，能够通过数字指令实现机械设备的动作控制。

伺服系统是连接数控系统和机床本体的桥梁，主要包括三部分组成：驱动控制系统、伺服电动机和位置、速度反馈系统。

驱动控制系统主要控制伺服电动机的运行，伺服电动机是执行部件，其反馈装置能够实时检测工作台的位置，最终实现位置、角度和速度量的控制；机械本体主要包括机械传动机构、工作台、床身及立柱等部分组成。

3 数控轧辊车床的硬件设计

本文设计的数控轧辊车床控制系统主要由机械和电气两部分组成。由托板移动轴（Z轴）、刀架移动轴（X轴）、工件旋转轴（C轴）组成的运动轴部分构成了数控轧辊车床的机械运动部分，还包括主传动链、滚珠丝杠、自动换刀装置和液压系统等部分。电气部分主要由数控系统、PLC、直流驱动控制器、直流电机、刀架及托板驱动器和模数转换器组成，系统硬件结构如图1所示。

数控伺服系统采用西门子公司的840D型号，该系统采用32位微处理器，用于复杂零件的加工，其主要由电源模块、数字控制单元模块、主轴驱动模块（MSD）以及进给驱动模块（FDD）。四个模块通过设备总线及圆电缆连接。

数控轧辊车床的电气控制部分主要采用PLC控制，来取代传统的继电器控制，实现本系统中位置X轴和Z轴的控制。

本系统选用西门子公司的S7-300型PLC，该PLC主要采用模块式结构，电磁兼容性强、抗震冲击性能好，在工业领域得到广泛的应用。

工件旋转轴采用直流伺服驱动器配以直流电动机的控制方式，直流驱动控制器选用6RA70，其功率为6～2 500 kW，能够满足控制要求，同时与ADI4模数转换器来实现信号的调节。本系统中的刀架电动机和车床托板电动机由611D数字驱动模块实现控制，该设备采用控制总线驱动模式，伺服电动机采用IFT6系列，实现全闭环控制系统。

4 数控轧辊车床的软件设计

该控制系统中的840D软件配置主要由四部分组成：MMC软件系统、NC软件系统、PLC软件系统和通信及驱动接口软件，软件结构如图2所示。

本系统采用MMC100.2控制软件，通过串口、并口和键盘等驱动程序，实现MMC-CPU、PLC-CPU、NC-CPU之间的相互通信及任务协调；NC软件系统包括NCK数控和初始引导软件、NCK数控和数字控制软件系统、SINUMERIK 611D驱动数据和PCMCIA卡软件系统；PLC程序主要包括基本PLC程序和轧辊车床PLC程序。

MMC软件系统的设置包括MMC的安装、通过OP显示MMC的启动和MMC的数据备份。NC软件系统设置包括变量的设置、基于840D的轧辊车床NC程序及数据设置、车床专用和通用数据和报警编码的设置。运用STEP 7-Micro/WIN软件对PLC进行梯形图的编程，接口参数设置采用PC/PPI连接。通过PPI电缆线和本地连接的进行连接，实现PLC和上位机的程序下载。

5 结 语

本文首先简要概述了轧辊的用途及其分类，轧辊车床是专门用于制造轧辊的设备，由于制造轧辊的难度较大，普通轧辊车床已经不能满足工业自动化的要求，而数控轧辊车床提高了加工效率，减小了人力和物理，大大提高了自动化程度。

然后分析了数控轧辊车床的基本概念、组成及工作原理，在此基础上对其控制系统进行了详细设计。

硬件上采用以840D数控伺服系统为核心，配以AD41模数转换接口和6RA70直流伺服驱动器来实现主轴直流电机的控制，同时通过611D数字驱动模块实现刀架和托板电动机的控制。

软件上通过对于MMC软件系统、NC软件系统的设置，同时运用STEP 7-Micro/WIN软件对PLC进行梯形图的编程，通过PC/PPI将程序下载到PLC中，通信及驱动接口软件的设置，完成了系统的控制要求。

参考文献：

[1] 陶兆胜，吴玉国.轧辊车床的数控化改造[J].安徽工业大学学报，2005，（4）.

[2] 朝晓辉.普通轧辊车床与数控轧辊车床的效率分析[J].机械工程师，2013，（8）.

[3] 岂兴明.PLC步进伺服快速入门与实践[M].北京：人民邮电出版社，2011.

龙门式数控钻床数控系统设计 篇4

1.1 数控系统的组成

数控装置、输入输出装置和伺服驱动是数控系统三个基本的组成部分。机床各轴的运动受数控系统的控制，因此数控系统是数控加工设备的核心部件。数控装置是由输入输出数据线、运算器、存储器以及各部分的连接线等部件组成；输入和输出装置是由键盘、监视器、手控盒、各种指示灯和检测开关等部件组成。伺服系统由伺服电机、驱动器和反馈装置等组成，如图1所示。

输入输出装置的主要功能输入加工零件的专用数控加工程序，以及可以在面板或指示灯上显示加工零部件时机床的状态。

数控系统主要通过数据运算控制或时序逻辑控制来实现对机床运动部件的运行速度、运行位置、和角度进行控制，并且对机床运行时的相关系统的温度、流量和压力等信息进行实时监控以保证机床的运行。数控系统通过对伺服系统的控制来实现对机床运动的控制。控制流程为：(1)数控系统发出的指令信号；(2)该信号经数控模块的变换和放大；(3)伺服驱动装置得到指令控制伺服电机运转执行该指令；(4)伺服电动机运转实现了数控机床工作台等部件的移动；(5)通过预设的检测元件，将运动部件的位置、速度和角度等信息回传给数控系统，系统将收到的信息与发出指令相比较对偏差进行修正，保证了设备的精度。

1.2 数控系统的设计方案

FANUC0i-TD系统广泛的应用于数控机床；该系统是CNC、PMC、MMC三位一体的数控装置，具有最大控制4个轴的强大功能，结构上采用模块式结构，具有体积小，集成度高，可靠性高，性价比高的特点。因此本方案的数控系统采用FANUC0i-TD数控系统，该数控系统主要有以下三部分组成：(1)控制面板：包含了操作键盘和面板、彩色显示器、可供程序传输的多种载体的专用接口；(2)各轴伺服电机以及与其相匹配的专用伺服控制器或运动控制器；(3)手控盒单元：包含了点动和手摇等旋钮；(4)为避免因距离不当所导致的信号衰减和失真问题，本设计将PMC安装在操作面板后，配以智能位置控制卡，保证系统运转稳定。

2 数控系统的硬件连接

数控单元通常由数控专用的可编程控制器；可以输入编制加工程序的键盘；带有点动或手摇装置的手持单元；可以观测到机床状态的面板和驱动各轴的伺服动机以及与之匹配的驱动器，如图2所示。

数控系统通过现场总线与伺服系统中的驱动器进行通信，并与伺服电机的反馈装置编码器构成半闭环控制。机床运行时，操作人员通过控制面板输入控制指令或加工程序，数控系统通过对指令或加工程序的分析处理后，发出逻辑控制指令并向伺服系统中驱动器发出控制指令，实现对机床的控制。因此为保证机床运行的可靠性，设计时应考虑接口的匹配性和可靠性。并应按照电气技术图进行连接。

3 PLC与数控系统

确保机床内部元件安装正确后，需对设备进行联机调试。按照设计功能需求，设计对应的PLC程序并调试。着重检测各执行元件、各输入输出信号的正确性。数控机床的PLC程序与数控系统中各部分的关系如图3所示。

4 结束语

文章阐述机床数控系统的组成，以及相关部件的组成。文章设计的机床采用FANUC 0i-TD系统并给出了龙门式数控钻数控系统的硬件进行连接，对于应用FANUC0i-TD系统的机床设计和调试有一定的借鉴意义。

摘要：设有数控系统并能通过数字信息技术对机床动作进行控制的机床称为数控机床。龙门式数控钻床是目前机械制造业保证产品高精度、高生产率、高质量的有效保证手段。而龙门式数控钻床性能的优良在一定程度上取决于数控系统的性能。

关键词：FANUC0i-TD,数控系统,方案

参考文献

[1]舒志兵.交流伺服运动控制系统[M].北京:清华大学出版社,2006.

数控折弯机液压系统分析 篇5

折弯机是一种用来弯曲板材的专用机床，现代折弯机中迪普马液压产品得到了广泛的应用，在这些液压控制系统中，大都用到了使用比例控制技术，机床拥有灵活的专门用于折弯机的数控系统，因为可作为高度自动化操作，实现高精密的弯曲板材。使用数控折弯机，在加工复杂形状板材时，可获得高生产效率和高品质制件，取得较高的经济效益。

1.1 折弯机的功能和运行过程

数控折弯机主要为上活塞式压机，其主要工作特点是，由两只平行运动的工作液压缸形成垂直向下的压力，以驱动折弯梁上的模具进行折弯工作。其数控式迪普马液压控制系统，主要是控制折弯过程的同步运行和液压缸在机器满负荷工作时在下死点的定位。

上折弯梁的典型折弯工艺运动循环阶段有：

(1) 静止状态

折弯机的静止位置是上折弯梁在上死点。为了防止产生不受控的向下运动，系统用一只无泄露背压阀封闭了液压缸的有杆腔。

(2) 向下运动

普通折弯机的下行快速关闭运动大都采用自由落地形式，也就是通过折弯机梁及各附件的自重产生运动。在此过程中，液压缸无杆腔通过一个充液阀补油，此时有杆腔将产生背压。快进速度可达250mm/s) 则由比例方向阀开环或闭环控制。快进运动从上死点开始，经过一个短暂的刹车阶段后，在距折弯板材最大距离6mm处结束。各种不同的折弯机要求不同的快进结束位置。

(3) 冲压/折弯

冲压/折弯阶段从无杆腔建压开始。冲压速度一方面受到油泵供油量的限制，另一方面，可通过比例阀方向阀来调节。同时，方向阀也控制折弯梁的同步运行和下死点的定位。冲压力的限制则由比例溢流阀限制泵的压力来完成。相应的速度、同步、定位和压力的给定值均来自数控器。

(4) 减压

无杆腔的减压或者是在到达下死点时开始，或者是在持续了一个短的保压时间之后开始，这样就变形材料一定的时间产生流动，因此能进一步提高制件的尺寸精度。保压和减压均由比例方向阀按着数控器的指令来完成。据要求的运行循环时间，须使减压时间尽可能地短;但是为了避免在整个系统中产生卸荷冲击，又要求足够长，

总之，减压曲线不允许太陡要求平稳。整个过程的优化则通过比例方向阀来实现。

(5) 回程

泵的流量和液压缸的有杆腔承压面积，决定了最大回程速度，在大多数情况下，接近快速速度。回程从有杆腔减压开始到上死点结束。回程也同样要求同步运行。

1. 数控折弯机液压控制系统的几种形式

数控折弯机的液压控制形式，在生产制造中，要求有自动化程度高和标准率。为此，折弯机应具有将液压系统集成于机器内的高集成率。因此，机架就成了液压件安装的基础，并通过它将油箱集成于冲压架内。对各种要求不同的用户，这种集成率也不相同。

一般有两种款式分别如下：

(1) 三控制阀块

这种款式拥有三个控制阀块。两个带有所属的间板充液阀的主控制阀块直接安装在液压缸上，实现了主控制块与液压缸之间的无管连接。主控制阀块主要由比例方向阀、带位置监控的换向阀和背压插装组件组成。比例换向阀在折弯机中起着关键的作用，它与数控器一起决定了上折弯梁的运动方向、速度以及同步精度和定位精度。目前的控制块系列都配备有集成电子放大器的比例换向阀，数控器能直接控制该阀。背压组件(一般由换向阀及两个溢流阀组成)相应于客户的要求为无泄漏型式。吸油阀负责快进中无杆腔充油和回程中无杆腔中大流量油的回泄。上述两个控制块加上第三个控制块----泵控制块，形成了完整的三控制阀块结构。这里最主要的安装件是比例溢流阀和一个最大的压力截止阀，以及作为充液阀的先导阀的位置检测换向阀。比例溢流阀根据数控器的给定值调定最大的冲压压力，与并联连接的手调式溢流阀负责整套系统的压力保险，特别是针对在泵上的来自数控器的过高的给定值。

(2) 中央控制块

中央控制块型式就是把三个控制阀块合成一个控制块。它主要应用在某些特殊结构的折弯机中(例如机器高度受限的情况)。由于控制原因，控制块与两个冲压液压缸间的连接管道必须要对称布置，而且要保证不超过两只液压缸间的最大允许间距(约3m),因此中央控制块要尽可能布置在机器的中央。控制块通过管道与液压缸相连。在这种款式中，采用了法兰式充液阀，直接安装在于液压缸上，并有吸油管与油管相连。充液阀的紧凑结构适应了整体高度很低的折弯机的需要。

2 结束语

数控车床液压系统设计 篇6

关键词：高性能数控系统；研究现状；研究设计

数控系统的开发从20世纪50年代就开始了，从硬件数控阶段到计算机数控系统CNC，再到高速高精度CNC的开发应用。当今的CNC采用了32位CPU数据处理，在数控系统中占有主要的地位。如今，开放式CNC开发应用也受到关注。

1.高性能数控系统关键技术的应用现状

1.1加减速控制技术

加减速控制技术主要用于对电机的进给脉冲频率或电压进行加减速控制，避免CNC装置机床在启动或者停止时产生冲击、失步、超程和振荡。保证在机床加速启动时，进给脉冲频率或电压增大；在机床减速停止时，进给脉冲频率或电压减小，这是现代该性能数控系统研究中的关键技术之一。比较常用的方法有直线加减速法和指数加减速法，但这两种方法都存在加速度突变的问题，因此，有关研究提出了柔性加减速法，该技术下得出的加速度、速度均是连续的，因此比直线和指数加减速方法更有优势，系统运行具有较高的柔性。

1.2插补技术

插补技术即是根据给定的曲线生成相应逼近的轨迹，采用软件方法来实现插补功能。数控系统的插补方法一般有两种，即脉冲增量插补和数据采样插补。脉冲增量插补，是在每次插补结束时仅产生一个形成增量，并将增量以脉冲的方式对伺服系统进行传输，使用加法和位移就可以完成插补，但脉冲增量插补的进给速度存在限制。数据采样插补需要先通过粗插补，然后进行精插补来实现。高性能数控系统一般采用数据采样插补方法。

但是在粗插补的进行时，产生的微小直线段每段的始末速度均为零，这就导致系统的启动和停止动作频繁，加工质量差、效率低。为此，轨迹前瞻插补技术在高性能数控系统中得到应用。该方法是在实时插补的同时向前预插补一段距离，以此判断距离内是否存在需要提前减速的微路径段，进而实现加工的高效率和高质量。

1.3轮廓控制的误差补偿技术

轮廓控制的误差补偿主要有两种方法，即跟随控制和耦合轮廓控制。跟随控制，该方法主要用于改善各轴的位置控制能力，提高伺服系统跟随性能，进而间接改善系统轮廓精度。一般多采用PID控制。耦合轮廓控制，该方法先对各个轴轮廓的误差进行计算和估计，然后通过协调控制对轮廓误差实现补偿。

2.针对连续微段高速自适应前瞻插补方法的研究设计分析

该技术主要是在实时插补的同时向前预插补一段距离，以此判断距离内是否存在需要提前减速的微路径段。它包括前瞻插补预处理和实时参数化插补两过程。

2.1前瞻插補预处理

2.1.1确定转接点最高速度2.1.3校核整体跨段转接点速度

微段高速加工时数控系统需要对轨迹运动的变化特征进行提前预测，确保进行整体跨段的加减速。为此首先构建整体跨段减速曲线，然后进入减速处理循环，进行存放预插补微段减速计算，得到该段终点速度，并进行校核。当终点速度大于允许的最高速度，则停止进行减速处理循环，确定减速点；反之则进行下一微段的减速计算。这样就建立起减速点与拐点的前端控制。

2.2实时参数化插补

通过参数方程表示的曲线，计算参变量的增量，直接求出各坐标的位置坐标。实现在轨迹插补时不适用函数计算，只采用次数较少的四则运算即可。

2.2.1参数化轨迹数学模型

2.2.2建立参数化插补算法

参数化插补算法主要有段内参数化插补算法、整体跨段参数化插补算法。段内参数化插补算法是当减速点Pd位于段内时，微段li速度和位移通过右端点建立三次多项式柔性加减速控制离散数学模型。整体跨段参数化插补算法，是当减速点Pd位于跨程序段时，在三次多项式柔性加减速和整体跨段参数化插补的基础上，建立实时插补算法的整体跨段速度、位移曲线离散化数学模型。

2.3高速自适应前瞻插补技术与传统插补技术的对比

通过对某汽车成型模的叶子板某区域的加工轨迹观察，每一微段升降速处理结果发现，采用高速自适应前瞻插补技术加工仅需要0.361s，而传统插补速度控制加工时间0.753s；同时对该区域加工轨迹试验结果发现，采用高速自适应前瞻插补与传统插补技术共需要进给分别为7.507s和17.450s。由于进给速度高速衔接和微段组成的刀具轨迹自适应向前，避免了频繁的加减速度，使机床运行平稳，加工速度和质量提高。

3.结束语

高性能数控系统在数控机床中的应用，提高了加工速度与加工质量。通过高速自适应前瞻插补技术的数学建模与试验，发现该技术在高性能数控系统中具有较高的有效性与可靠性，是一种可推广的技术。

参考文献：

[1]汪荣青.高性能数控系统在数控机床中的应用研究与设计[J].制造业自动化，2012，34（18）

数控车床液压系统设计 篇7

简易的数控车床, 是现代化机械制造业中必不可少的加工设备, 产品加工质量稳定, 生产效率提高, 生产适应性好, 加工精度高, 我们设计的系统主要由两部分组成:数控进给系统;主轴箱传动系统。另外所要求设计的箱体规格是420×400×380mm, 结构紧凑。主轴中心高为180mm, 即主轴的回转直径为180mm。主轴孔径为52mm, 可以穿过棒料进行加工。主轴的转速分为12级大约在30～120r/min之间。 主电机的功率为4kw。选择电机型号为Y112M-4的电动机 , 额定转速为1440r/min。 整个结构通过电机带动皮带轮, 由几组三联或两联滑移齿轮的机械变速机构来实现12级变速。

2 转速图的拟定

2.1 确定传动方案

根据三项原则:传动副要“前多后少”, 传动线要“前密后疏”, 降速要“前慢后快”。初步确定传动方案为Z1, Z3, Z6, 最后一级降速传动比1/4, 升级传动比为2∶1。若考虑到主轴的孔径和壁厚的直径过大, 所以采用分支传动机构, 使主轴的降速转动比得以缓慢降落, 不致使齿轮过大。

结构式设计为通过两个滑移变速组得到高六级转速。再通过分支传动系统, 使主轴得到低六级转速。当主轴与被动轮的中心距较大时, 采用皮带传动比较合理。同时具有缓冲, 吸震, 运行平稳, 无噪声等优点。且结构简单, 在过载时可防止其他零件损坏等优点。

3 齿轮齿数的确定

3.1 最小齿数确定

最小齿轮齿数是在变速组内降速比或升速比最大一对齿轮中。由转速图可知, 最大降速比为1∶2, 在分支传动机构中, 取最小齿轮齿数为Z=20。

3.2 在Ⅰ-Ⅱ轴间有三对齿轮副

从结构上考虑, 要在Ⅱ轴上安装公用齿轮, 在Ⅰ-Ⅱ轴间分别1.41∶1, 1∶1, 1∶1.41.在Ⅱ-Ⅲ轴间传动比分别为1.41∶1, 1∶2。采用的公用齿轮在Ⅰ-Ⅱ轴间的传动比为1∶1.41, 在Ⅱ-Ⅲ轴的传动比为1.41∶1。那么公用齿轮数为Z7=42, 由于在Ⅰ-Ⅱ轴间的传动比为1∶1.41, Z5∶Z6=1∶1.41, Z6=Z7=42 (公用齿轮) , Z5=42×1/1.41=30 SⅡ=Z5+Z6 (Z7) =30+42=72。

4 轴的结构设计

4.1 Ⅰ轴的结构

套皮带轮的轴径采用锥度为1∶10的锥度, 采用锥度按转皮带轮具有定心精度高, 传递扭矩大等优点。两个轴承放在轴承套内, 轴承套通过螺丝固定在箱体上, 前面两个轴承中间没有定位套, 曾大了跨距, 可减少皮带轮对轴产生弯矩。

4.2 主轴的设计计算

主轴的结构, 根据箱体长度为420mm, 选择两支承的主轴组件, 由于前支承所承受的刚度比后支承要求高, 所以前支承选用圆锥双列向心短圆柱滚子轴承, 后支撑选用单列向心推力球轴承, 提高前支撑的刚度, 能有效提高主轴组件的刚度。考虑到调整轴承间隙方便, 结构简单等因素, 采用后端定位。由于前轴承的偏心对主轴端部精度的影响较小, 前轴承精度选得很高, 后轴承精度比前轴承低一级。

5 主要成果

通过对简易数控车床主轴箱传动结构的设计, 基本掌握了普通车床数控改造的相关技术, 掌握了机械零部件装配、安装、调试的技术要点, 掌握了电气控制系统安装调试的技术要点, 掌握了整机检测与调试技术要点;另外, 目前大多数企业还有数量众多、使用年限较久的普通机床, 这些机床普通加工精度和生产效率低, 生产适应性差, 但由于种种原因又不能马上淘汰, 因此, 对普通机床进行数控化简易改造不失为一条投资少、机床加工上台阶, 又能提高产品质量和生产效率, 使旧设备快速改造升级的捷径。

摘要：本文阐述了设计一种简易的数控车床, 通过拟定转速图, 设计V型带, 确定齿轮齿数, 计算各轴扭矩, 确定传动系统, 完成齿轮结构设计即完成轴的结构设计, 从而完成数控车床的主轴设计。

关键词：V型带,齿轮齿数,主轴扭矩

参考文献

[1]黄鹤汀主编.金属切削机床 (下) [M].北京:机械工业出版社, 2004, 2.

[2]李仲生主编.机械设计基础[M].北京:高等教育出版社, 2006, 5.

数控车床液压系统设计 篇8

1、总体设计方案

首先初选伺服电动机, 预设电动机转速, 计算出螺距, 由此来预选几种螺母丝杠副, 再分别对它们进行强度计算。根据强度、螺距参数选择合适的丝杠副, 再根据公式由丝杠副中的参数算出要求的电动机转速, 再确定伺服电机。最后验算定位精度 (若精度达不到本课题的要求, 则选择更高精度的闭环方式) 。根据定位精度, 初步选择传动系统为半闭环。

2、各机械部件的设计与计算

2.1 滚珠丝杠副的选择

(1) 精度等级确定, 查表可知, 1级精度的丝杠V300 p=6µm。故应选择1级精度。

(2) 导程计算, 设定伺服电机的最高转速ndmax=1500r/min。数控车床的伺服电动机通过联轴节与丝杠直接相联, 即u=1, 则丝杠的导程为

(3) 检测装置的选择与计算。

该半闭环系统角位移检测装置采用脉冲编码器, 根据精度要求, δ=0.001mm/脉冲, 电动机的脉冲数。

(4) 丝杠动载荷的计算。

由丝杠maxn=1 5 0 0 r/m i n, 工作台的minn=0。

滚珠丝杠副的工作寿命的选择, 查表可知数控机床的工作寿命

根据选择依据:额定动载荷Ca≥当量动载荷Cm, 从而可选择合适的滚珠丝杠副。

一般情况下, 取滚珠丝杠副的预紧力Fp=0.1Ca。只要轴向外载荷不超过3倍的Fp, 就不必对预紧力提出额外的要求。而今最大载荷Fmax仅为5314N, 故不需额外的预紧要求。

2.2 丝杠支承的选择

根据JB/T3162.4-1993的规定, 采用内径为30mm的轴承, 且其支承方式采用一端固定、一端游动的方式。查表可知:轴向固定的一端采用600接触角的7603030TN型的角接触球轴承, 面对面组配, 游动的一端采用一个80306型推力圆柱滚子轴承。

2.3 进给系统伺服电机

2.3.1 惯量匹配和负载惯量的计算

工作台的最大质量为800kg, 根据公式, 折算到电动机轴的负载惯量包括联轴器、丝杠的转动以及工作台的移动三部分的惯量。

丝杠直径d=63mm, 滚珠丝杠长度L=1.3m, 惯量扰性联轴器等的惯量J1≈0.001kggm2

JL=J1+J2+J3=0.0055kg⋅m2, 电动机的转子惯量JM在 (1-4) JL范围之内。

2.3.2 最大切削负载转矩T

已知Fmax=5314N, hP=0.01m, η=0.8。滚珠丝杠预紧转矩值可用下式估算,

根据计算结果可初选BESK-20型交流伺服电动机, 其额定转矩NT=22.5N⋅m≥T, 转子惯量JM=0.018kg⋅m2, 均满足要求。

2.3.3 空载的加速转矩

其中一般取tac= (3-4) tm, 我们可以看出BESK-20型交流伺服电动机满足要求。

3、系统精度验算

本课题要求的定位精度是0.012/300mm, V300 p=6µm, 其余误差在载荷的作用下为各个部件环节的位移。验证系统综合刚度K的方式如下。

由于已选择一端固定一端游动的支承方式做为滚珠丝杠副的安装方式, 故可知:=165d22/a, 查表可知固定端预紧Kb=KBO, Kb=KBO, fs Famax≤Coa, fs一般为1~2, 取fs=2;由已选的内循环滚珠丝杠参数已知Coa=160.2KN

已知dw=19.06, 轴承中的滚珠体数Z=6;滚珠螺母中点至轴承支点的距离

测量精度时, 机床不切削, 载荷就仅为摩擦力, 故本设计中Ff=314N, 则系统的弹性变形

4、结语

由此可得:在300mm长上的定位误差=V300 p+δ=7.48µm。再加上某些忽略的次要因素, 可以满足定位精度0.012mm/300mm的要求。因此所选半闭环伺服系统满足设计要求。

摘要：本文针对数控车床Z向进给传动系统的设计方案的解析, 通过在理论的基础上配合相应的例题加以分析、计算, 以解释我们对于传动系统的设计能够较好的保证机械传动精度, 充分体现进给传动系统在机床体中的重要性。

数控铣床进给系统设计 篇9

1.1 数控机床的伺服进给系统的组成

数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。它的作用是接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号,由伺服驱动电路作转换和放大后,经伺服驱动装置和机械传动机构,驱动机床的工作台,主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。数控机床的伺服进给系统与一般机床伺服进给系统有本质上的差别,它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度和位置,以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。

1.2 关键部件介绍

1.2.1 滚珠丝杠副的结构

滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件,其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动,它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来,滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元,在机床行业得到广泛运用,极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性:传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长、同步性能好。

滚珠丝杆螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置,是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。在滚珠丝杆和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽,这两个圆弧形槽和起来便形成了螺旋滚道,在滚道内装入滚珠,当滚珠丝杆相对螺母旋转时,滚珠在螺旋滚道内滚动,迫使二者发生轴向相对位移。为了防止滚珠从螺母中滚出来,在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置,使滚珠能返回丝杆螺母之间构成一个闭合回路,由于滚珠的存在,丝杠与螺母之间是滚动摩擦,仅在滚珠之间存在滑动摩擦。

1.2.2 滚动直线导轨副

滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成,具体结构如图1所示。当导轨与滑块作相对运动时,钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动,在滑块端部钢球又通过返向装置(返向器)进入返向孔后再进入滚道,钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端装有防尘密封端盖,可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。

(1)滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球,使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦,大大降低二者之间的运动摩擦阻力,从而获得以下效果。

①动、静摩擦力之差很小,随动性极好,即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短,有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。

②驱动功率大幅度下降,只相当于普通机械的十分之一。

③与V型十字交叉滚子导轨相比,摩擦阻力可下降约40倍。

④适应高速直线运动,其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。

⑤能实现高定位精度和重复定位精度。

(2)能实现无间隙运动,提高机械系统的运动刚度。

(3)成对使用导轨副时,具有“误差均化效应”,从而降低基础件(导轨安装面)的加工精度要求,降低基础件的机械制造成本与难度。

(4)导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽,接触应力小,承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高,滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。

(5)导轨采用表面硬化处理,使导轨具有良好的可校性;心部保持良好的机械性能。

(6)简化了机械结构的设计和制造。

1.2.3 电动机的构造

电动机是一个圆柱体,里面装有一对能产生磁场的固定电磁极叫定子(永久式和电磁式的区别就在这里,永久式的定子是一对永久磁铁,电磁式的定子是一对电磁线圈)装在钉子中间的是一个能转动的电磁体叫电枢,又叫转子。转子是由特种材料作成的圆柱体,套在电动机轴上。电动机的工作原理是在转子的纵向凹槽里嵌入有绝缘铜丝饶成的转子绕组,电流通过电刷和换向器导入转子绕组就能产生电磁场。

1.3 伺服进给系统的工作情况

机床有三套(X,Y,Z轴)相同的伺服进给系统。下面介绍工作台的纵向(X向)伺服进给系统,该系统由伺服电机驱动,采用无键连接方式用锁紧环将运动传到扰性联轴器的左连接件,联轴器的右连接件与滚珠丝杆用键连接,由滚珠丝杆螺母驱动工作台移动。滚珠丝杆由左螺母和右螺母组成,并固定在工作台上。扰性联轴器的左连接件与电机轴,靠锥形锁紧环摩擦连接,锥形锁紧环每套两环,内环为内柱外锥,外环为外柱内锥,此处共用了两套。采用这种连接方法不用开键槽,没有间隙。电动轴与丝杆可相对转任意角。横向(Y轴)伺服进给系统与纵向伺服进给系统结构相同。

滚珠丝杆直径20mm,导程为4mm,左支承为成对的推力角接触球轴承,背靠背安装,承受径向载荷,右支承为深沟球轴承,滚珠丝杆升温后可向右伸长。这种结构比较简单,但轴向刚度比两端轴向固定方式低。滚珠丝杆的螺母座固定在工作台上下侧,螺母座中安装两个滚珠螺母,两个螺母用连接键固定它们之间的周向位置,一螺母固定在螺母座上,另一螺母可轴向调整位置。在两个螺母间安装两个适当厚度的半圆垫圈,以消除滚珠丝杆螺母间的间隙,并适当地预紧,以提高传动刚度。

2 关键部件校核计算

2.1 丝杠导程

伺服系统选择半闭环还是全闭环选择应根据要求的定位精度进行,本系统为±0.012/300mm。查滚珠丝杠样本,任意300mm内导程允差,1级(P1)丝杠为0.006mm,2级为0.008mm。因此,可以考虑采用半闭环,滚珠丝杠精度取为P1级。

伺服电动机的最高转速nmin=1500r/min,如使电动机与丝杠直联,i=1,丝杠的最高转速为nmax=1500r/min,根据公式

undefined

计算出丝杠导程Ph=4mm

2.2 滚珠丝杠的选择

丝杠的最大载荷,为切削时的最大进给力加摩擦力。最大进给力为Ff=5000N。作粗略的估计,最大切削力取为Fc=2Ff=10000N,最大背向力Fp=Ff/2=2500N,根据公式Fmax=kFf+(Fc+Fp+G),得到Fmax=6300N,丝杠的最小载荷为摩擦力Fmin=fG=0.04×(500+300)×9.8N=314N,平均载荷为undefined,最大进给时,丝杠的转速为400r/min, 最小进给时,丝杠的转速为1r/min,故平均转速为undefined

丝杠的工作寿命取为undefined,代入公式undefined得当量动载荷undefined。

查滚珠丝杠样本,选择内循环FFZD2004-3-1丝杠,额定动载荷为Ca=7.3kNCa>Cm,符合要求。丝杠直径为20mm,钢球直径为3mm,导程为4mm,浮动返回器式内循环,每个螺母滚珠有3列,双螺母垫片式预警。预加载荷为Ca/4,即1825N,远大于最大载荷的1/4,丝杠副精度为P1级,刚度为519N/m。

2.3 选择丝杠轴承

丝杠采用一端轴向固定,一端简支的方式。固定端采用一对推力角接触球轴承,面对面配对。型号为7202,额定动载荷为8.68kN,预加载荷为F0=660N,平均载荷为1500N,轴承寿命为undefined能满足要求。简支端只承受丝杠的部分重量,不需计算。

2.4 选择伺服电机

(1)最大切削负载转矩

最大载荷Fmax=6300N,丝杠导程Ph=4mm=0.004m,查查滚珠丝杠样本,丝杠螺母副的摩擦系数η=0.9,摩擦力矩Tf1=0.3N·m,查轴承样本,单个7202型轴承的摩擦力矩为100N·mm,故一对轴承为Tf2=0.2N·m。简支端不预紧,其摩擦力矩可忽视不计,丝杠与伺服电机直联,故i=1。带入公式undefined,最大切削负载转矩为,undefined。

(2)惯量匹配

负载惯量按下列次序计算,工件及工作台的最大质量为800kg,折算到电动机轴,其惯量J1按公式

丝杠直径d=20mm=0.02m,在结构设计中,决定长度为l=0.6m,

联轴器的惯量可直接查出J3=0.0006kg·m2

J2与J3和电动机直接叠加,负载惯量

JL=J1+J2+J3=0.00032+0.000075+0.006=0.000455kg·m2

电动机惯量JM应符合条件JL

(3)空载加速转矩

FB-15型直流伺服电动机的最大输出转矩为Tmax=154N·m,这个输出转矩发生在阶跃指令加速时,要求的加速时间为

FB-15型的机械时间常数为tM=15.2ms=0.0152s。ta<(3-4)tM,说明这种电机具有足够的加速能力。

摘要：数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路,伺服驱动装置,机械传动机构及执行部件组成。通过介绍数控铣床进给系统关键部件的设计,掌握数控机床进给系统的设计方法。

关键词：数控,进给系统,校核设计

参考文献

[1]王先逵.机械加工工艺手册[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2]荣维芝.数控原理与维修技术[M].北京:机械工业出版社,2004.

[3]陈宇晓.数控铣床故障诊断与维修技巧[M].北京:机械工业出版社,2006.

数控车床液压系统设计 篇10

关键词：数控车床,机械手,PLC,步进电机

1 引言

数控车床是在机械零件加工生产中最常见的一种机械设备。在机械加工时, 靠人工进行取料并手工将物料送至指定位置, 装夹完成后进行自动加工。本文将取料并送至指定位置的过程称为装料。当加工时间节拍较短时, 装料占据了较多时间, 既浪费了时间, 又使操作者的劳动强度增大, 数控车床的高效率特性难以充分发挥, 影响了整个流程的自动化。本文提出了基于P L C、步进电机和气缸的一种自动装料解决方案。

2 工艺流程分析

自动装料的工作过程主要分成物料自然下落--横向推料--纵向推料三个步骤, 从而实现对物料的自动装料。装料控制及机械部件的结构如图1所示[1]。

初始位置为滑台在右行位置 (图示位置为滑台在左行位置) 、气缸处于缩回位置。其工作过程如下:首先, 由用户在振动盘内放入一批待加工的物料 (即工件) , 物料从震动盘内依次排列, 进入料筒内。当滑台处于初始位置时, 料筒内最下面的一个物料自然落入滑台左端的的槽中。PLC接收到取料结束信号后 (取料系统在本文中不加以叙述) , 此时步进电机带动滚珠丝杆使滑台左行, 此时的摆锤由于重力作用将物料压紧。当滑板内的物料中心线与车床主轴中心线重合时, 步进电机停止运行。停止一秒钟使物料停稳后, 接着气缸杆伸出, 将物料推送一定距离、到达指定位置后缩回, 气缸杆缩回到位后, 滑板右行回到初始位置。这样又可以开始等待下一循环的动作。

3 步进电机定位系统设计

上述机构的控制系统主要由步进电机定位系统及顺序动作两个部分构成[2]。

一般液压滑台或机械滑台的行程控制是利用位置传感器 (行程开关) 来实现, 但这种方法的定位精度较差。为保证滑板左行, 使物料的中心线与车床主轴中心线之间的偏移控制在一定的范围内, 此处使用步进电机定位系统, 采用数字控制来实现, 完成符合要求的精确定位。

PLC对步进电机的控制要素主要有三个。一是转角控制。转角正比于所输入的控制脉冲个数。?二是转速控制。滑台的进给速度取决于步进电机的转速, 而步进电机的转速取决于输入脉冲的频率。因此, 可以根据实际情况, 选取合适的进给速度, 从而确定PLC输出的脉冲频率。三是?进给方向控制。进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向。因此, 可以通过PLC输出的方向控制信号, 改变步进电机驱动器内的硬件环行分配器的输出顺序来实现。

本系统选用三菱FX1N-14MR-0001 PLC作为控制器, 选用安川CA4050步进驱动器、安川42HD0402步进电机作为控制对象。PLC与步进驱动的连接图如图2所示[3]。

PLC的Y0端子向步进驱动器输出脉冲信号, Y1端子向步进驱动器输出正反转的方向控制信号。使用P L C内部的2 4 V直流电压输出端子作为开关电源的电压输入, 由开关电源为步进电机驱动器提供5 V直流电压。步进电机驱动器的四个输出端子分别与步进电机的A相与B相端子相连接。

步进电机控制的状态转移图如图3所示。

在图3中, S20为步进电机正转状态, M0为步进电机正向脉冲中间变量。当发出的脉冲数满足滑台左移的距离要求时, M8029置“1”, 进入下一个状态。S24为步进电机反转状态, M1为步进电机反向脉冲中间变量, Y1为步进电机反向控制信号, 当Y 1=“1”时, 步进电机反向运行。当发出的脉冲数满足滑台右移的距离要求时, M8029置“1”, 进入下一个状态。

4 顺序控制

顺序控制主要完成装料机构的顺序逻辑控制功能, :控制系统的P L C输入输出信号及地址分配如表1所示。

顺序控制的状态转移图如图4所示[4]。

在图4中, M8002为PLC的初始化脉冲。PLC上电后, 控制系统便处于初始状态S0。为了增强系统运行的可靠性, 在PLC检测到卸料结束信号的同时, 还必须在检测滑台内有料存在以及气缸处于缩回状态的情况下, 才向步进电机发出正转脉冲, 使滑台向左运行, 进行横向送料。当发出的脉冲数满足滑台向左移动的距离要求时, M8029置“1”, 滑台停止1秒钟, 气缸伸出, 完成纵向送料后, 气缸缩回到原处。此后, PLC向步进电机发出反转脉冲及反转信号, 当发出的脉冲数满足滑台向右移动的距离要求时, M8029置“1”, 使滑台右移到初始位置。

将状态转移图转换成顺序控制梯形图, 如图5所示。

5 速度、脉冲和限位的控制程序

在上述顺序控制梯形图的基础上, 添加上图6所示的控制程序, 使PLC产生脉冲信号。同时, 为了防止机械越位造成机械伤害, 当滑台超过左、右限位时, 使得步进电机停止运动。

三菱PLC有两个产生脉冲信号的指令, 即PLSY和P L S R。根据该机械手的运行速度情况, 选用P L S Y指令。该指令有三个操作数, 分别为脉冲频率、脉冲数和输出端子号。

脉冲频率的大小决定步进电机的旋转速度, 即滑台的移动速度。由于滑台横向送料时的物料夹紧是由摆锤完成的, 由于存在惯性的作用, 横向移动时速度不宜过快;而滑台返回时, 应该快速返回, 因而, 电机正转和反转速度不同, 控制程序分别给出。

此例中, 步进电机步距角α=1.8°, 丝杆螺距P=5mm。其中, 取正转速度V1=5m/min, 对应的脉冲频率。取反转速度V 2=8 m/m i n, , 对应的脉冲频率

脉冲数需要在装料机构安装在数控机床上后, 测量出需要运动的距离, 即料筒中心到机床主轴中心之间的距离 (以毫米为单位进行计量) , 然后计算出需要的脉冲数。此例中, 电机步距角α=1.8°, 丝杆螺距P=4mm。现场测得移动距离L=258.4mm, 则脉冲数N为:

Y0为脉冲输出端子。

6 结束语

本文用三菱PLC和步进电机以及气缸实现了数控机床装料机械手的控制方案。该方案定位精确度能满足工作要求, 运行自动化程度高, 性能可靠。特别适用于加工节拍较短的数控加工场合。

参考文献

[1]关明.基于PLC的机械手控制系统设计[J].制造业自动化.2012, (14) :25-26.

[2]陈羽锋.基于PLC的气动送料控制系统的设计与应用[J].机械制造与自动化.2012 (2) :20-22.

[3]吴晨曦, 蒋嵘.基于PLC-伺服驱动的位置控制系统设计[J].制造业自动化.2008, 30 (4) :84-86.

数控车床主轴系统的发展现状 篇11

1. 主轴系统分类及特点

数控机床主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构，其功能是接受数控系统（CNC）的S码速度指令及M码辅助功能指令，驱动主轴进行切削加工。它包括主轴驱动装置、主轴电动机、主轴位置检测装置、传动机构及主轴。通常主轴驱动被加工工件旋转的是车削加工，所对应的机床是车床类；主轴驱动切削刀具旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类。

全功能数控机床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统根据控制方式的不同主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机，通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩）带动主轴旋转。另外根据主轴速度控制信号的不同可分为模拟量控制的主轴驱动装置和串行数字控制的主轴驱动装置两类。模拟量控制的的主轴驱动装置采用变频器实现主轴电动机控制，有通用变频器控制通用电机和专用变频器控制专用电机两种形式。目前大部分的经济型机床均采用数控系统模拟量输出+变频器+感应（异步）电机的形式，性价比很高，这时也可以将模拟主轴称为变频主轴。串行主轴驱动装置一般由各数控公司自行研制并生产，如西门子公司的611系列，日本发那克公司的α系列等。

1.1普通笼型异步电动机配齿轮变速箱

这是最经济的一种方法主轴配置方式，但只能实现有级调速，由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，在主轴低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精加工的要求。如果加工产品比较单一，对主轴转速没有太高的要求，配置在数控机床上也能起到很好的效果；它的缺点是噪音比较大，由于电机工作在工频下，主轴转速范围不大，不适合有色金属和需要频繁变换主轴速度的加工场合。

1.2普通笼型异步电动机配简易型变频器

可以实现主轴的无级调速，主轴电动机只有工作在约500转/分钟以上才能有比较满意的力矩输出，否则，特别是车床很容易出现堵转的情况，一般会采用两挡齿轮或皮带变速，但主轴仍然只能工作在中高速范围，另外因为受到普通电动机最高转速的限制，主轴的转速范围受到较大的限制。

1.3通笼型异步电动机配通用变频器

目前进口的通用变频器，除了具有U/f曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善，配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速（100—200转/分钟）小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的主轴驱动系统。

1.4专用变频调速电动机配通用变频器

将调速电动机与主轴合成一体，这是几年来新出现的一种结构。这种变速方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴影响较大。

2.主轴系统的发展方向

机床的主轴驱动与进给驱动有较大的差别。机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其他直线运动装置作往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。在20世纪60—70年代，数控机床的主轴一般采用三项感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动已经不能满足生产的需要。现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求：

2.1调速范围宽并实现无级调速；

对主轴的调速范围要求更高，就是要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无极调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。

2.2恒功率范围要宽；

主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大功率。由于主轴电动机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分级无级变速地方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩。

2.3具有4象限驱动能力；

要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。

2.4具有位置控制能力；

即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足机床自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。

2.5具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低；

2.6良好的抗震性和热稳定性。

3.国内外先进主轴系统

数控机床动力磁悬浮主轴系统是一种新型高速机床主轴系统，近几年来，美国、日本、德国、意大利、英国、加拿大和瑞士等工业强国争相投入巨资大力开发与之相关的高速变频技术和动力磁悬悬浮轴承技术。由于其对调速性能提出了很高的要求，不仅能够实现主轴高速旋转、大功率输出，还要求在较宽的调速范围内实现无级变速。动力磁悬浮主轴调速的关键在于如何实现动力磁悬浮轴承调速，动力磁悬浮轴承也称磁悬浮感应电动机，是一种新型转子支撑结构，磁悬浮轴承和感应电机于一身，具有自悬浮和自驱动能力。与传统电磁轴承相比，动力磁轴承的支撑力不是由分别放置在点击左右两端的电磁轴承产生，而是由动力次轴承自身产生。由于动力磁轴承的旋转机械不再需要任何独立的轴承支撑，同时又具有感应交流电动机的特点，因此它也属于无轴承电动机的一种类型。动力磁轴承具有体积小，临界转速高等特点，适用于小型乃至超小型结构，更适合超高速运行的场合。

数控折弯机液压驱动系统方案设计 篇12

关键词：数控折弯机,液压驱动,电液比例,系统方案

在数控折弯机结构设计中选择立式双作用液压同步系统结构, 立式双作用液压同步系统与卧式双作用液压同步系统相比, 对控制系统的要求更高, 此种形式的双缸液压同步系统具有几个明显特点:

1.两液压缸负载效应明显。即任一液压缸负载发生变化时, 均会引起缸的动态调整, 可能引起振荡。

2.重力负载存在“干扰”现象。液压缸竖直安装会产生重力负载的作用, 会引起在上升和下降两个方向上动态性能不一致, 给两个运动方向的高精度同步控制带来困难, 这种“干扰”现象对大负荷的同步提升和下降尤为严重。

3.双作用缸两个运动方向性能存在差异, 给分析和控制带来麻烦。

因此, 本设计选择电液比例控制系统, 根据市场需求, 本文设计折弯机为中档产品, 液压驱动系统设计采用PBA集成式同步控制方案, 比例控制型式选择TFI类型, 放大器功能包含在折弯机控制系统上, 且带比例阀阀芯位置监控。液压驱动系统整体结构如图1。

一、执行元件的分析与选择

常见液压执行元件形式有马达和液压缸, 马达主要实现旋转运动。液压缸又称为油缸, 它是液压系统中的一种执行元件, 其功能就是将液压能转变成直线往复式的机械运动。液压缸的种类很多, 本文所设计系统根据主机所要实现的运动种类为直线往复运动, 拟选择双作用单杆活塞式液压缸。单杆式活塞缸, 如图2所示, 活塞只有一端带活塞杆, 单杆液压缸有缸体固定和活塞杆固定两种形式, 但它们的工作台移动范围都是活塞有效行程的两倍。液压缸两腔有效作用面积不相等, 当向液压缸两腔分别供油, 且压力和流量都不变时, 活塞在两个方向上的运动速度和推力都不相等。

二、油路循环方式的选择

液压系统的油路循环方式有开式和闭式两种, 对于油路的选择主要取决于液压系统的调整方式和散热条件, 本文在设计中将油箱设计在横梁上方, 有足够的散热空间, 为了简化系统使用节流方式调速, 基于此, 选择开式系统。

在设计中采用两个液压缸作为执行元件, 通常连接方式有串联、独联、并联以及复联, 本设计采用并联复合方式, 具体连接方式如管道分布图3。

三、油源类型的选择

根据数控折弯机工况分析, 由系统工作压力、流量变化选择单泵供油, 根据系统对油源的综合性能要求, 在设计中选择恒压式定量泵。本设计中主要遵循以下三项原则。

1. 最大功率原则, 从节能的要求出发, 依照执行元件的最大功率要求确定动力源的功率, 使二者功率相适应。

2. 参数匹配原则, 结合控制元件的输入参数, 合理选择动力源的输出参数。

3. 稳定性和快速性要求, 液压动力源的输出参数的响应速度和跟随控制信号的变化, 满足系统所要求的快速性和稳定性要求。

根据以上三原则, 本设计动力源总体布置型式如图4。

四、控制方式的选择

在控制方式上采用开环控制, 采用开环控制主要原因如下。

采用闭环控制一是为了提高系统自动化水平, 保持设定值不受外因干扰, 即在不同负载的压力下, 保持元件的速度稳定;在执行元件输出不同的力时, 保持机构有确定的位置;在执行元件承受偏载时, 保持两个以上的液压缸同步动作。本文设计中输出力已经设定, 在工作中通过挡料板的设置基本避免偏载情况的出现, 因此, 不需要选择闭环控制。

采用闭环控制二是为了提高电液比例系统的控制精度, 大量工程实践表明现有的开环控制系统的位置控制精度最高达到0.3mm, 速度控制精度最高达到3%, 压力控制精度最高达到比例压力阀最大定力的3%, 当控制精度超出以上范围时需要考虑闭环控制。本文设计中的相关控制精度均在开环控制精度的可达范围内, 因而, 不需要采用闭环控制。

本设计信号类型选择开环电液比例位置控制系统, 为了尽可能提高系统的位置精度, 在设计中采用了以下三种方法来提高系统的位置精度, 获得正确的定位。一是采用预制动方式来提高位置精度;二是采用模拟式接近开关提高定位精度;三是搞高阀口压差。

本设计元件类型为数字式电液比例系统, 数字式检测元件分辨率高, 用以构成电液比例控制, 可直接与计算机连接, 以此简化控制系统设计, 使用控制信息在总线上传输, 便于计算机读取和存储。控制阀块方案如图5。

五、本系统方案特点

1. 可明显地简化液压系统, 实现复杂的程序控制。

系统利用滑块自重, 辅助液压缸快速下行, 用充液阀补没, 使快动回路结构简单, 使用元件少。采用密封性能好、通流能力大、压力损失小的比例阀块组成液压系统, 具有油路结构紧凑、动作灵敏的特点。

2. 利用电信号便于实现远距离控制或遥控。

在设计中将油源布置在横梁上方, 提高主要总体设计性能, 减少管路损失、改善操作性能, 配合数控系统可以实现精细远控。

3.

利用反馈提高控制精度, 实现同步控制的目标。

参考文献

[1]机械控制系统设计/中国机械工程学会, 中国机械设计大典编委会.中国机械设计大典第5卷.南昌:江西科学技术出版社, 2002.1.